半机械蝗虫：能检测爆炸物！

导读

据美国圣路易斯华盛顿大学官网近日报道，该校研究人员“劫持”蝗虫的嗅觉系统，以监测和辨别不同的爆炸物气味，所有这些都是在几百毫秒内完成的。

背景

今年春季，肆虐世界多地的蝗虫，让我们再一次感受到蝗灾对农业和经济造成的损失，也使蝗虫成为人们关注的热点。

（图片来源：圣路易斯华盛顿大学）

对于这种害虫，我们首先想到的是如何消灭它。然而，蝗虫高度发达的嗅觉却引起了研究人员的浓厚兴趣，这种嗅觉有望应用于爆炸物检测。

可是，如果你想要增强蝗虫的功能，使其成为一种嗅探炸弹的昆虫，那么在将它送到野地之前，还有一些技术难题需要解决。

有什么方法可以指挥蝗虫吗，告诉它去哪里嗅探？因为蝗虫不会说话（目前是这样），有没有办法可以读懂这些半机械虫的大脑，从而知道它们闻到了什么？而且，蝗虫甚至能闻到爆炸物？

创新

前两个问题的答案都是肯定的。美国圣路易斯华盛顿大学之前的研究演示了控制蝗虫以及读懂其大脑的能力，也就是说，可以辨别它们闻到了什么。

近日，麦凯维工程学院的新研究表明，第三个问题已经解决了。答案又一次是肯定的。

8月6日发表在期刊《Biosensors and Bioelectronics: X》上的一篇预校样论文中，研究人员展示了他们能够“劫持”蝗虫的嗅觉系统，以监测和辨别不同的爆炸物气味，所有这些都是在几百毫秒内完成的。

（图片来源：Raman Lab）

他们也能够优化之前开发的生物机器人系统，该系统可以检测蝗虫的放电神经元并且传递信息，告诉研究人员蝗虫感知的气味。

群体智慧。单个蝗虫可以检测并定位复杂环境中散发的气味，而蝗虫群可以做得更好。研究团队进行实验和建模，并得出结论：“多个生物体的感知将更有效地检测目标化学物质。”（图片来源：圣路易斯华盛顿大学）

生物医学工程系教授巴拉尼·拉曼（Barani Raman）表示：“我们不知道它们是否能够闻到或者准确地找到爆炸物，因为这些爆炸物没有任何重要的生态意义。也许在这种特殊情况下，它们根本不在乎对我们来说任何有意义的线索。”

技术

拉曼实验室之前研究发现，蝗虫嗅觉系统可以被解码为“与或（or-of-ands）”的逻辑操作。这使得研究人员可以判断蝗虫在不同情况下闻到的味道。

（图片来源：Barani Raman）

有了这些知识，当研究人员将蝗虫暴露在 TNT、DNT、RDX、PETN 和硝酸铵的蒸气（一组化学成分不同的炸药）中时，就可以寻找到相似的模式。拉曼表示：“最令人惊讶的是，我们可以清楚地看到神经元对于 TNT 和 DNT 以及其他爆炸性化学气体作出不同的响应。”

有了那些关键数据，拉曼表示：“我们准备开始工作了。我们已经做了优化。”

现在他们知道蝗虫可以检测和辨别不同的爆炸物，但是为了找出炸弹，蝗虫必须知道气味是从哪个方向散发出来的。

气味盒子与蝗虫移动台（图片来源：圣路易斯华盛顿大学）

拉曼表示：“你知道，当你靠近咖啡店时，咖啡的气味变得浓烈，当你远离咖啡店时，咖啡的气味变得清淡。这正是我们在研究的。”爆炸物蒸气通过盒子中的一个洞注入进来，而蝗虫坐在一辆迷你车中。当蝗虫被车载着四处移动，闻到不同浓度的蒸气时，研究人员研究了它与气味相关的大脑活动。

蝗虫大脑中的信号反映出蒸气浓度的差异。

（图片来源：Baranidharan Raman）

下一步是优化系统来传递蝗虫的大脑活动。研究团队包括电气与系统工程系教授 Shantanu Chakrabartty 以及机械工程与材料科学系教授 Srikanth Singamaneni，正在集中他们广泛的专业知识来研究微小的蝗虫。

（图片来源：圣路易斯华盛顿大学）

为了将对蝗虫的伤害降低到最低，保持它们稳定，以准确地记录它们的神经活动，团队提出了一种新的外科手术操作，装上不妨碍蝗虫移动的电极。在他们的新仪器就位之后，暴露在爆炸性气味中的蝗虫的神经活动，在500毫秒之内被转化为一种可辨别的气味特征。

拉曼表示：“现在，我们可以植入电极，封住蝗虫，并将它们运输到移动环境中。”有朝一日，这个环境有可能是国土安全部正在寻找的爆炸环境。

拉曼表示，这个想法并不像最初听起来那么奇怪。他说：“这与过去煤矿工人使用金丝雀的时候没什么不同。人们用猪来寻找松露。这是同样的方法（使用生物机体），只是有点复杂而已。”

关键词

参考资料

【1】Debajit Saha, Darshit Mehta, Ege Altan, Rishabh Chandak, Mike Traner, Ray Lo, Prashant Gupta, Srikanth Singamaneni, Shantanu Chakrabartty, Barani Raman. Explosive sensing with insect-based biorobots. Biosensors and Bioelectronics: X, 2020; 100050 DOI: 10.1016/j.biosx.2020.100050
【2】https://source.wustl.edu/2020/08/researchers-one-step-closer-to-bomb-sniffing-cyborg-locusts/
【3】https://source.wustl.edu/2018/08/locusts-help-uncover-the-mysteries-of-smell/
【4】https://source.wustl.edu/2016/06/engineers-use-cyborg-insects-biorobotic-sensing-machines/
【5】https://source.wustl.edu/2019/09/light-activated-nanoheaters-may-control-nerve-cells-locust-mind/

---

阅读更多精彩文章，请点击“阅读原文”。