一只6厘米的大蟑螂，有一天可能救你的命

你有没有想过，当你遇难，有只“小强”会过来救你？

即便它们没有七彩祥云......

蟑螂拥有惊人的运动能力。

就拿马达加斯加蟑螂（Gromphadorhina portentosa）来说，身长大多在5-7.5厘米，但最高奔跑时速接近5公里，相当于每秒1.3米。假如你感觉不到这有多快，换算一下，大概就像人类以160公里的时速飞奔那样。

速度只是一方面。除此之外，马达加斯加蟑螂也和许多蟑螂亲戚一样，拥有灵活伸缩的外骨骼，可以帮助它们把身体挤压到适宜的尺寸，在狭小的空间里自如穿行。

图片来源：Almabes via Wikimedia Commons

这些优异的运动性能，令大小相近的机器人难以企及，自然也会让科学家着迷。不少研究者喜欢将马达加斯加蟑螂改造成赛博格（cyborg），然后用自己的方式来操控这些半生物半机械的蟑螂。

科学家们想象着有一天，当危险的灾难发生时，一些改造后的蟑螂能潜入人类或传统机器人难以涉足的复杂地形，执行搜索或救援任务。

最近，来自日本大阪大学的一组研究人员，又找到一种新的方式，来支配马达加斯加蟑螂。他们开始用AI来增强蟑螂对陌生领域的探索能力了。

不想运动，也得运动

比起明亮的地方，蟑螂更喜欢待在黑暗的环境。假如你打开家里厨房的灯，看到蟑螂四散奔逃，它们可能也是在跑向自己的舒适区。科学家看好这类夜行生物，毕竟许多搜救工作需要在缺少光亮的情况下进行。
不过，在大阪大学的森岛圭佑教授眼里，蟑螂在黑暗中的运动习惯，还有不少可以改善的空间。比如，有些蟑螂从明亮的世界走进暗处之后，会先休息一段时间（减少运动或几乎不运动），而不是立刻积极地行动起来。

森岛教授说，如果要在一处废墟或未知的环境里，部署一台实时监控的摄影机，蟑螂这样的自然行为就可能阻碍它的工作。

森岛和他的同事们希望，当蟑螂进入黑暗地带后，能早一点开始探索自己周围的空间，行动的范围也要尽可能扩大。于是，研究小组决定给蟑螂植入电极，利用这些电极向动物发出电刺激，促使它们运动得更多。

科学家选中了3只雄性马达加斯加蟑螂成为赛博格。每只蟑螂被植入了3个铂电极，一个植入到胸部，一个植入到左侧尾须，一个植入到右侧尾须。

先前有其他研究者发现，在蟑螂行走过程中，对它的左尾须发出电刺激，蟑螂会向右转，刺激右尾须时蟑螂会向左转；假如同时刺激左右尾须，蟑螂则会加速运动，效果显著。

左转右转。图片来源：参考资料[2]

加速。图片来源：参考资料[2]

而这一次，‍大阪大学的研究小组希望通过刺激两根尾须，来促进蟑螂的自由运动，而不会代替它们决定运动的方向。‍重要的是，科学家不想每时每刻都刺激蟑螂。森岛教授说：“我们不需要像操控机器人那样操控赛博格，它们可以有一定的自主权，这也是它们敏捷运动的基础。”
‍那么，只在必要的时候发出刺激就可以了，在这项研究里，必要的时候就是蟑螂停下的时候。如果想在对的时机发出电刺激，使不动的蟑螂运动起来，就必须了解它们的实时运动状态。
为此，研究者让蟑螂背上了一个“背包”，背包装有惯性测量单元（IMU），用来测出它的加速度和角速度，这些数据是判断运动状态的重要线索。马达加斯加蟑螂没有翅膀，刚好适合背包，在制造赛博格的科学家看来，这些蟑螂不会飞并不是个缺点。
但对追求准确的研究者来说，只靠IMU还不足以确定蟑螂的运动状态，因为它会有偏差和噪声。所以，科学家要用机器学习算法来分析IMU数据，更好地判断蟑螂有没有停下脚步。他们训练了几种不同的AI，包括支持向量机（SVM），K近邻算法（KNN）、逻辑回归（LR）和朴素贝叶斯（NB），看哪种方法的准确度最高。
每个AI都要根据IMU数据，来预测蟑螂是停着还是走着。至于它们的预测是否正确，只要跟摄像头拍下的内容对比一下就会知道。结果，支持向量机（线性）从几种算法中胜出，在蟑螂运动和蟑螂没动的情况下，它预测的准确率都是最高的。‍‍‍

D为线性支持向量机。图片来源：参考文献[1]

那么，就依照这只AI的判断，来指挥电极向停下的蟑螂发出刺激吧。科学家把每一只植入了电极的蟑螂放进一个圆形运动场，当AI认为它没有走动，它的尾须就会受到电刺激。蟑螂每次要在圆形运动场里待7分钟，这是科学家留给它探索运动场的时间。时间结束之后，研究者会评估它探索了多少：比如搜索了多大区域（以网格数计算），行走了多长的距离，有多少时间在行走等等。然后，和没有施加电刺激时的7分钟探索程度做对比。

3只蟑螂的行动轨迹。左为无刺激自由行，右为施加刺激后。图片来源：参考文献[1]

其实，那3只被选中的蟑螂，对运动的热情并不相同。
在没有电刺激的情况下，1号和2号蟑螂不太活跃，3号蟑螂最活跃；在接受了电刺激的情况下，3号蟑螂仍然最活跃。但即便个体与个体之间有差异，施加电刺激之后，每一只蟑螂都变得比先前更活跃了。总体看来，与没有电刺激的时候相比，按照AI指引接受电刺激的蟑螂，区域搜索率增加了68%，行走距离增加了70%，休息时间减少了78%。
这个结果让研究人员感觉到，依靠刺激尾须来扭转蟑螂的自然行为是可行的。让它们在原本不想运动的情况下增加运动，这对搜救场景而言十分重要。
也许你会感觉，成为赛博格的蟑螂们，休息时间被剥夺得很严重。不过研究者却说，有了AI的帮助，可最大限度地减少蟑螂受到的刺激，避免它们因为刺激过多而疲劳。

想要逃跑，也越来越难

这项新的研究，只是测试了蟑螂的运动习惯能不能适应搜救任务。
但在如此特殊的场景下，应该还有其他值得考虑的问题。比如，赛博格蟑螂需要用电，在难于及时充电的严峻环境里，如何能让它们坚持工作数天甚至数周，也是科学家一直在关心的事。
2022年，日本理化学研究所（RIKEN）等机构的研究者，也把马达加斯加蟑螂改造成了赛博格。
这些蟑螂同样背着包，包里装着所有电子设备，并有电线将控制器与蟑螂的腿部相连，让科学家能够用电流操控蟑螂向左或向右。但除此之外，科学家们还在蟑螂腹部贴上了超薄的太阳能电池模块。它的厚度只有0.004毫米，却能提供17.2毫瓦的功率输出。这样，或许可以在一定程度上避免蟑螂丢弃任务逃跑。

电线连接着控制器与蟑螂的腿。图片来源：参考资料[4]

太阳能发电，只是其中一种思路。2014年，森岛教授和同事们还尝试过利用蟑螂的体液来发电。那次，他们制造的赛博格蟑螂，背上就驮着生物燃料电池（BFC）。
这种发电装置将蟑螂体液中的海藻糖（trehalose）作为能源，当海藻糖扩散到装置中，那里的海藻糖酶（trehalase）等可以把它分解为葡萄糖。葡萄糖被固定在电池的负极，并被氧化；而正极则有氧分子被还原为水。在此过程中产生了电子交换，依靠这种原理发电，输出功率最高达到了50微瓦，而10微瓦的输出功率则可以保持3小时以上。科学家利用蟑螂体液发电，实现了每5秒点亮一次LED灯，以及测量温度并每100秒向外传输一次数据。
那时研究者说，体液中的杂质如蛋白质与脂肪等等影响了发电效率。如果能改善过滤装置，电池的功率还会提升。

所以，你问过蟑螂的意见吗？

参考文献

[1]Ariyanto M, Refat C M M, Hirao K, et al. Movement Optimization for a Cyborg Cockroach in a Bounded Space Incorporating Machine Learning[J]. Cyborg and Bionic Systems, 2023, 4: 0012.（原论文）

[2]Tran-Ngoc P T, Le D, Chong B S, et al. Insect-computer hybrid system for autonomous search and rescue mission[J]. arXiv preprint arXiv:2105.10869, 2021.

[3]Kakei Y, Katayama S, Lee S, et al. Integration of body-mounted ultrasoft organic solar cell on cyborg insects with intact mobility[J]. npj Flexible Electronics, 2022, 6(1): 78.

[4]Stuke M. Laser chemical processing for three-dimensional microstructures[C]//Technical Digest. Summaries of Papers Presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics. Conference Edition. 1998 Technical Digest Series, Vol. 6 (IEEE Cat. No. 98CH36178). IEEE, 1998: 509.

策划制作

来源丨环球科学

撰文 | 栗子

审校 | clefable

责编丨金禹奋

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