遙控蟑螂科普知識

　　科普知識是一種用通俗易懂的語(yǔ)言，來(lái)解釋種種科學(xué)現象和理論的知識文字，用以普及科學(xué)知識為目的。下面就讓小編帶你去看看遙控蟑螂科普知識吧，希望能幫助到大家!

　　在人們的印象中，蟑螂往往與骯臟環(huán)境和疾病傳播聯(lián)系在一起，令人厭惡。但事情也并不總是如此，近十年有關(guān)研究逐漸揭示了蟑螂在災害搜救等領(lǐng)域的前景。最近，一個(gè)國際團隊完成了一項蟑螂-計算機混合系統研發(fā)，終于把蟑螂全面武裝成了災后現場(chǎng)穩定可靠的搜救專(zhuān)家。

　　一、天選“負重者”

　　非洲馬達加斯加島上的腐爛原木內，生活著(zhù)二十多種大型蟑螂，馬達加斯加發(fā)聲蟑螂是其中最廣為人知的一種。成蟲(chóng)體長(cháng)可達7.5厘米，壽命可達五年。發(fā)聲蟑螂使用氣孔強力排出空氣時(shí)，會(huì )發(fā)出響亮的“嘶嘶”聲，它不但因此得名，還成了昆蟲(chóng)愛(ài)好者們追捧的寵物，并配以愛(ài)稱(chēng)“嘶嘶兒”（hisser）。

　　得益于體型健碩卻沒(méi)有翅膀，它們“力能扛鼎”，能夠在負載近十克重物的狀況下保持靈活行動(dòng)，因此也背負了昆蟲(chóng)-計算機混合系統研發(fā)的希望。5月23日發(fā)表在arXiv的一項研究利用集成了眾多組件的微型“電子背包”，將嘶嘶兒武裝成了災后現場(chǎng)的搜救專(zhuān)家。

　　二、遙控蟑螂

　　馬達加斯加發(fā)聲蟑螂被研發(fā)者們盯上并不是新鮮事。研究昆蟲(chóng)神經(jīng)科學(xué)的學(xué)者們很早就已開(kāi)始了解它們觸角和背部的神經(jīng)系統，近十年前就開(kāi)始對它們動(dòng)起了真刀。2012年，美國北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的研究者就已經(jīng)能夠通過(guò)向這種蟑螂的觸須施加電刺激控制其行進(jìn)方向了。這一過(guò)程被研究者比作了騎馬：包含了微控制器、信號接收器、脈沖電極和電池的電子背包就如同騎手，與蟑螂觸須相連的`電極則是韁繩。唯一與騎馬相反的是，通過(guò)一側“韁繩”傳遞的電脈沖信號會(huì )使蟑螂認為該側存在障礙物，從而轉向另一方向。

　　這些研究開(kāi)創(chuàng )性地實(shí)現了對蟑螂行進(jìn)方向的操控。但因技術(shù)制約，笨重的電子背包使得蟑螂步履維艱，短短一米左右的路程需要花費一分鐘才能爬完。加之能耗大、電池容量低，過(guò)短的續航大大限制了實(shí)用價(jià)值。

　　不過(guò)，電子背包的優(yōu)化空間很大。最近幾年出現了更加緊湊的設計，可以讓蟑螂輕裝上陣。2015年，美國得克薩斯農工大學(xué)的研究者在《皇家學(xué)會(huì )期刊-界面》上介紹了改良版蟑螂電子背包。它的控制器和無(wú)線(xiàn)接收器尺寸都被優(yōu)化得更小，使得蟑螂的行動(dòng)更加便利，甚至連體型稍小的美洲大蠊都可背負。這項研究還引入了糾錯機制，當蟑螂沒(méi)有正確響應信號刺激時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)再次釋放脈沖，糾正蟑螂的前進(jìn)方向。

　　隨著(zhù)昆蟲(chóng)神經(jīng)研究和電子技術(shù)的進(jìn)步，電子控制背包也開(kāi)始走出實(shí)驗室。專(zhuān)注生物神經(jīng)系統的公司從2013年起，開(kāi)始面向消費者開(kāi)發(fā)開(kāi)箱即用的蟑螂控制系統，并在2015年推出了成熟的蟑螂控制套件，讓感興趣的人在家也可以享受一把“遙控蟑螂”的樂(lè )趣。一并在官網(wǎng)開(kāi)放售賣(mài)的還有蟑螂手術(shù)箱、蟑螂醫療箱等配套產(chǎn)品，以及活體蟑螂。它提供了不少“手術(shù)”教程和效果展示視頻。這一裝置并不需要操作者擁有太多的學(xué)科知識或技術(shù)手段，便可跟隨視頻教學(xué)完成安裝植入：為了防止蟑螂亂動(dòng)干擾手術(shù)，需要先用冰水麻醉它，然后將電極插入修剪后的觸角即可完成連接。包括電極在內的所有組件都將由膠水固定在蟑螂身上。從麻醉中蘇醒的蟑螂既能有線(xiàn)連接到套件進(jìn)行信號分析，也能夠通過(guò)藍牙連接，在一定距離內由智能手機等設備無(wú)線(xiàn)操控。

　　在精確高效控制蟑螂爬行方向這個(gè)領(lǐng)域，技術(shù)研發(fā)已經(jīng)較為成熟。但蟑螂頑強的生存力所提供的潛力不止于此，研究者們也并不滿(mǎn)足于在實(shí)驗室和花園里玩弄蟑螂。他們的終極目標是將蟑螂培養成災害現場(chǎng)的搜救專(zhuān)家。要做到這一點(diǎn)，需要這塊電子背包具備更多的組件、更高的性能。

　　例如，實(shí)際搜救場(chǎng)景中，僅數分鐘的續航顯然不足以完成任務(wù)，這需要更高儲量的電池和更低的能耗。搜救并無(wú)既定路線(xiàn)，需要根據現場(chǎng)情況決定方向，而遠離蟑螂的控制端要做出正確判斷，需要電子背包傳回更多圖像或聲音信息。以Backyard Brains的套件為例，電子背包僅能進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制信號接收，而并沒(méi)有任何信號傳感和發(fā)送功能，即使是通過(guò)電極獲取的神經(jīng)電信號，也需要通過(guò)電纜有線(xiàn)連接到設備才能讀取。更何況圖像分析、避障路線(xiàn)計算等工作需要相當的運算量，在大量搜救蟑螂同步工作時(shí)，便攜的控制終端可能很難滿(mǎn)足算力需求。2015年得克薩斯農工大學(xué)制成的電子背包已“重達”3g，卻只能維持2小時(shí)續航，且美洲大蠊在進(jìn)行1小時(shí)連續實(shí)驗后，就不得不休息來(lái)讓行動(dòng)力從疲勞中恢復。若以簡(jiǎn)單疊加方式在電子背包中新增更多傳感、計算和通信組件，續航和重量的壓力將進(jìn)一步增加。

　　三、更小、更便捷

　　5月發(fā)布在arXiv的最新研究提供了針對這些障礙的解決方案，通過(guò)更徹底地融合昆蟲(chóng)平臺和微控制器技術(shù)，創(chuàng )造了有史以來(lái)第一個(gè)專(zhuān)為搜救任務(wù)設計的完整昆蟲(chóng)-計算機混合系統。這一設計在電子背包中加入了紅外攝像頭、CO2傳感器、閃存等元件，并在蟑螂尾部加入電極讀取蟑螂自行導航時(shí)與障礙信息有關(guān)的神經(jīng)電信號。在了解蟑螂本身對障礙物的感知和對可行路徑的判斷后，再與定制的導航控制算法結合，使用機器學(xué)習用紅外圖像和其他信息檢測人體存在、進(jìn)行路線(xiàn)推算，即使在復雜地形下也能通過(guò)昆蟲(chóng)-計算機的“協(xié)商”（negotiation）進(jìn)行高效的探索。

　　這一結構降低了對外部控制的需求，使得系統依靠自身就能完成檢測、尋徑和方向控制。新技術(shù)與蟑螂自身更緊密的結合也降低了算力和能源需求，使裝置的續航時(shí)長(cháng)達到了一個(gè)小時(shí)，足以滿(mǎn)足相當范圍的搜求需求。裝置較高的集成度也有效控制了重量，整體重約5.5g。研究者稱(chēng)，這一系統在實(shí)驗條件下有94%的搜救成功率。