互动科普

用活甲虫打造机器人

撰文  米歇尔·M·马哈比兹（Michel M. Maharbiz）

         佐藤裕崇（Hirotaka Sato）

翻译  王超

从航空工程学的角度来看，生活中最常见的家蝇（housefly）堪称奇迹。它们躲避苍蝇拍的表现堪称大师级，原因之一就在于它们能极其迅速地拍打翅膀——大约每秒200次。家蝇的动作中包含了复杂的生物力学方法，因而可以达到这个惊人的速率。它们的翅膀并没有直接连接在胸肌上。家蝇有节奏地反复拉紧和放松肌肉，致使胸廓变形，随之引起翅膀振动。翅膀的振动方式和被敲击之后音叉（tuning fork）的振动非常相似。通过这种方式，家蝇只须消耗极少能量，就能轻而易举地完成许多动作。

在计算机电路微型化和微加工技术（micromanufacturing technique）高速发展的推动下，工程师开始努力制造能够模拟家蝇运动能力的微型飞行器。2008年，荷兰代尔夫特理工大学的研究人员公布了他们开发的微型代尔夫特蝇（DelFly Micro），仅重3克，翼展100毫米，可以携带一台微型摄像机；诞生于美国哈佛大学微型机器人实验室的人造飞行器甚至更小，仅重0.06克（仍然比家蝇重四倍），不过它一旦起飞，运动轨迹是无法控制的。这些机器昆虫真正的瓶颈在于功耗：由于至今仍没有找到能够容纳足够能量的微型电池，这些飞行器仅能持续飞行几分钟。

过去几年中，我们发现了可以绕过这些技术瓶颈的方法：不是从头开始制造一个昆虫机器人，而是使用昆虫自身充当飞行器。这样，就避开了沉重的电池和微加工技术，只须专注于人工控制系统，让它在必要时干预昆虫的飞行。也就是说，昆虫自己飞行，但植入它神经系统的电路会把来自人的遥控指令——左转、右转、向上、向下发送给它。实际上，我们创造了一个半机械飞行器——一半是昆虫，一半是机器。

我们是在5年前产生这个想法的。当时，本文作者马哈比兹正在参加美国国防部高级研究计划局（DARPA）组织的一个研讨会。（马哈比兹是一名微技术专家，对昆虫了解不深。）在那次研讨会上，与会者回顾了几项技术，它们让生物学家能够接收和记录自由飞行的昆虫的肌电信号。组织这次会议的DARPA项目主管阿米特·拉尔（Amit Lal）认为，基于这些先进技术，是时候尝试通过植入式微型电路向昆虫肌肉发射电信号，让它们按照我们的想法运动了。

这种昆虫机器人在军事上有许多潜在用途，比如探查建筑物或洞穴内的人数，识别他们的身份，以便决定是否派遣士兵搜索该区域。这种硅（电路）与碳（昆虫）的混合物种在民用领域也会有新应用，比如制造一种可以在地震废墟中搜寻幸存者的多足昆虫机器人。

为什么是甲虫

早在DARPA的那次会议之前，科学家已经做过许多针对蝗虫、飞蛾和家蝇的研究，详细描述了昆虫的飞行。尽管进入一个新领域常常会遭遇失败，但有前面这些研究为基础，我认为失败可以减少。飞蛾和蝗虫的体型很大，但是不善于负重，所以被排除。于是就只剩下家蝇了。

家蝇具备很多优势。首先，生物学家非常了解它们。美国加州理工学院的迈克尔·H·迪金森（Michael H. Dickinson）和其他科学家已经极为详细地研究了家蝇每块肌肉伸缩的方向和时间与产生上升和转弯的效果之间的关系。除此之外，家蝇还能高效利用能量，以惊人的速度拍打和控制翅膀。然而，从工程学的角度看，家蝇并非合适的实验对象。因为它们体型太小，只有通过纳米外科手术才能为它们的大脑植入电路。但我不是纳米外科医生，于是开始寻找替代方案。蜻蜓的体型足够大，飞行能力也很出色，但是它们过于脆弱了。螳螂倒是个可能的选项。

我是在翻阅《对鞘翅目生物学》（The Biology of the Coleoptera）时想到甲虫的。这是一本R·A·克朗（R. A. Crown）在1981年出版的关于甲虫的导论性经典著作。我发现甲虫的飞行方式和家蝇十分相像。它们胸腔上的飞行肌使外壳变形，导致翅膀像音叉一样振动。甲虫肌肉的类型和分布也与家蝇相似。上世纪50年代的一些优秀研究工作，让我们大致知道了应该从何处着手。最重要的原因大概有两点：一是甲虫很大，体长从1毫米到超过10厘米的都有；二是甲虫的种类占到了已知物种总数的1/5。所以，理论上它们已经非常合适了。但这时我又遇到一个新问题：在美国，没有人饲养体型足够大、适合我的用途的甲虫。最终，我的实验室花费了数年时间建立起稳定的供应链，从欧洲和亚洲的饲养者那里进口甲虫。

研究工作进行到这时，本文的另一位作者佐藤裕崇，一位在纳米加工领域经验丰富的化学家，作为博士后加入进来。我们的目标是向世人展示：我们可以遥控昆虫起飞，在需要的时候控制它的转向与速度，在到达预定地点时让它停止下来。作为工程师，我们希望这些功能是可重复且可靠的，同时尽可能不对昆虫造成伤害。

首先，我们必须确定，要制作一个基本的半机械昆虫飞行器，最少需要控制昆虫的哪些动作。我们想要控制自由飞行的昆虫，而不是像别人那样用系绳来控制，那样需要很长的系绳，绳子还会缠绕在一起。于是，我们决定使用无线电，就像模型爱好者遥控微型车、飞机和直升机那样，希望能够控制昆虫开始和停止扑翼的动作，增加或减少飞行的升力，还要能够控制它左右转弯。很明显，我们并不想控制昆虫飞行所有方面，因为在保持水平以及根据风向和障碍物等情况调节飞行速度和飞行轨迹方面，甲虫已经做得非常好了。

同时，我们希望确保信号能直接传入昆虫自身的神经肌肉回路。这样，即使昆虫试图去做其他的事，我们也可以发出阻止指令。如果昆虫可以忽略我们的指令，这个飞行器就是不合格的。

我们并没有盲目开展实验，被选作实验对象的绝大多数甲虫都能够负载相当于自身体重20%~30%的重量。因此，昆虫的大小决定了控制设备的最大尺寸。由于知道甲虫的哪块肌肉负责振动翅膀，所以我们可以合理地假定，把不同频率的电信号传递给昆虫身体一侧的肌肉，就可以改变昆虫扑翼的方式，进而改变它们飞行的轨迹。

我们还知道，这些昆虫会利用视觉信息，尤其是在飞行过程中。和人类一样，进入昆虫眼中的光线会刺激感光神经元。感光神经元产生的信号经过视神经叶（optic lobe）传送到中脑和神经节（ganglia），在那里接受处理，为运动中的昆虫提供视觉信息。另外，光的强度会影响昆虫飞行也是已知的。如果我们突然关掉房间里的灯，甲虫会立刻停止飞行，说明这种昆虫需要某些来自眼睛的感觉输入才能持续振动翅膀。我们推测，对视神经叶或视神经叶底部附近区域的刺激可能引起强烈的运动反应。由于直接在眼睛和视神经叶本身植入异物会影响昆虫控制运动的能力，我们把刺激点放在视神经叶的底部区域。我们不必刺激单个的神经元。相反，只要把正确的电脉冲传递到视神经叶底部附近区域，甲虫自身的神经回路就会完成其他工作，让甲虫起飞。

如果刚开始失败了

在第一次成功飞行之前，我们经历了许多次失败。最初我们花了6个月对超级麦皮虫（Zophobas morio beetle，长1.5厘米，重1克）展开实验，这种甲虫也叫暗甲虫，可以在宠物商店买到，因为它们的幼虫能用来喂食壁虎和其他小型爬行类宠物。不幸的是，我们数百次地把它们抛到空中，但它们就是拒绝展开翅膀。似乎超级麦皮虫不怎么喜欢飞行（不过我们确实从超级麦皮虫身上学到了许多昆虫解剖学知识）。最终，实验对象换成了得克萨斯绿六月甲虫（Texas Green June beetle，长2厘米，重1~1.5克），这种甲虫学名叫美洲花金龟（Cotinis texana），常见于美国东南部，通常被叫做六月虫。

我们可不想重复在超级麦皮虫上所犯的错误，所以把目标锁定在善飞的甲虫上。美洲花金龟的飞行能力众所周知，也是果农的眼中钉——几年来，我们从果农手中收购了几千只美洲花金龟，他们不敢相信消灭害虫还能得到每只5美元的报酬。

基于早期对超级麦皮虫和美洲花金龟的实验，我们精确找到了手持甲虫而不伤害到它们的方法，也找到了在它们背部翅肌（wing muscle）附近和头底部胶粘微型导线的精确位置（我们用蜂蜡来粘连导线）。我们设计和订制了可以接受无线电指令并产生电信号的微型电路板用于实验。（在第49页的框图中展示的，既有早期的全套甲虫控制设备，也有截至2010年4月的最新设备。）目前一套基础系统包括以下组件：一个内置无线电模块、用于接收指令的微控制器，一块用于提供电信号的电池，还有几根直径125微米、用于植入脑部和飞行肌的细银线。

由于美洲花金龟最多仅能背负200~450毫克的重物，最初的系统没有包含无线电模块。为了测试控制效果，我们给微控制器预先载入了飞行指令，然后把甲虫系在线上，或者悬吊在万向接头上，观察它们是否自由飞行。（把甲虫悬吊在万向接头上的好处是，我们可以原地观察它们的飞行。）

经过两个月的努力，我们终于在美洲花金龟上取得了成功。多次实验之后，我们找到一块相对较大的神经元片段，它受到刺激时，会对飞行产生调节作用，而且这种作用是可重复和可预见的。我们发现，如果使用较短的电脉冲（大约长10毫秒，即100赫兹）刺激昆虫脑部位于左、右视神经叶正中间的一块区域，几乎每次（准确地说，概率为97%）昆虫都会开始拍打翅膀，以正确的姿态飞行。同样令人激动的另一个发现是，如果对相同区域施加一个较长的脉冲，可使翅膀振动完全停止。也就是说，我们找到了触发昆虫飞行的开关——用一种脉冲启动扑翅，用另一种停止振翅。

我们认为，这种长脉冲有效地使视神经叶底部神经元过载，阻止了所有电信号的传输。这种情况下，维持翅膀振动的触发信号就被中断了。我们发现，无论昆虫当时在做什么，电脉冲每次都有效果。当甲虫沿着桌子爬行时，如果施加10毫秒的电脉冲，它就会拍打翅膀起飞。如果我们把它放回桌子上，并使它“四脚”朝天，这时给它一个脉冲，它就振翅翻过身来。如果甲虫已经在空中飞行，给它一个长脉冲，它就会停止振翅，摔落下来，然后继续爬行。

没有迹象显示昆虫受到了伤害，即使当它们摔落在地板上的时候。植入设备的甲虫和没有植入的甲虫活得一样长（大概几个月）。它们飞行、吃食和交配都与普通甲虫无异。我们进一步发现，向飞行中的昆虫快速交替发出“开”和“关”信号，就可以调节它翅膀的振动。当昆虫正在飞行时，如果我们快速交替发出“开”和“关”的指令，翅膀的振动不会停止，只是略微减慢一些。实际效果就是改变了昆虫飞行的推动力，让我们可以像飞行员通过油门控制飞行速度那样，可靠地调控昆虫的飞行速度。为了控制甲虫转弯，我们在甲虫的左右前上侧肌植入微型线缆。向右侧肌肉施加10毫秒脉冲，昆虫的右侧就会产生更多动力，导致它向左转弯。最后，我们开始使用托卡塔长角金龟（Mecynorrhina torquata beetle）进行实验。这种甲虫重达8克，非常适合背负无线电模块和我们开发的其他器件。

下一步

尽管一些实验结果非常吸引眼球，但我们还有更多工作要做。我们已经证明我们能让甲虫左转、右转和大致绕圈飞行，终极目的在于引导甲虫沿着复杂的三维路线飞行，比如飞进烟囱，或者飞出管道。为了达到这个目的，我们在昆虫身上加装了微型麦克风，用于记录甲虫飞行中振翅的声音。当声音达到某一程度时（我们可以通过声音大致判断翅膀是向上抬还是向下扑），我们可以施加精确的刺激脉冲来操纵甲虫的肌肉。

现在硬件部分的工作情况非常不错，但是我们还想通过计算机编程来更好地控制甲虫。我们找到了一些在人造飞行器软件编程方面很有经验的同事，包括美国加利福尼亚大学伯克利分校的彼得·阿贝尔（Pieter Abbeel）以及他的学生斯韦托斯拉夫·科列夫（Svetoslav Kolev）和宁伯斯·戈豪森（Nimbus Goehausen）。他们正在彼得早先在自动直升机方面的工作基础上，开发一个可以把复杂指令（比如“前进方向转动20度”）分解为单个命令（比如“对左前上侧肌持续施加长度为10毫秒的脉冲”）的昆虫控制系统。使用者只须输入特定的路线修正，微控制器就会完成具体的刺激，使昆虫按指定方向飞行。为了弄明白需要一系列什么样的刺激才能达到目的，我们正在使用核磁共振成像技术、大量解剖实验和高速摄影技术，来描绘其他一些负责控制单只翅膀的肌肉的三维构造与功能。我们当前的目标是利用这些数据来调控不同肌肉，这样也许能更加独立地控制甲虫自由飞行时的转向与绕圈。

是否应该制造半机械甲虫

我们现在还不清楚，遥控甲虫是否会像机器人那样实用，但是直觉告诉我们，答案是肯定的。体积更小、功耗更低的微控制器与无线设备将持续投放市场，这将使我们有能力开发出更优良、更精密的微控制器。只要大容量微型电池和高能效机翼的难关没有攻克，相对于完全人造的飞行器，我们的半机械甲虫以及它们超高效的肌肉就会拥有巨大的优势。

在这项研究可能会带来的所有意义当中，我们相信有一点是最为基础的：随着计算机小型化和关于生物系统的知识的进步，我们将逐步尝试向现有生物系统引入人工界面和控制回路。先弄清楚昆虫的细节问题，将有助于我们在把实验对象转移到更高级的生命体（比如大鼠、小鼠，以及最终的人类）时少犯错误，少走弯路。使用昆虫进行实验，也使我们得以暂时避开了许多有关自由意志之类的深层次伦理问题。如果我们拿脊椎动物做实验，这些问题将使我们承受不小的压力。开发半机械甲虫将不会取代对于我们对于制造机器人的追求（因为人类常常比自然更善于制造机器），但是把人造设备无缝地融入生物体这一学科才刚刚起步，还有着巨大的发展空间。