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機械甲蟲
比無人機更好用的飛行器
2006年,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)號召美國科學家提交“研發機械昆蟲技術的創新性建議”。
這聽起來雖然有點離奇,但美國政府確實是認真的。數年以來,美國軍方一直希望能研發出“微型飛行器”,能夠在危險地帶執行監控任務。“事實證明,在大自然中有大量‘微型飛行器’的存在,它們就是各種各樣的昆蟲。”DARPA的項目經理、康奈爾大學工程師阿米特·拉爾在宣傳手冊中寫道。或許DARPA已經意識到,製造微型飛行器美國軍方沒必要一切從零開始,如果從活的昆蟲着手的話,目標可能就已實現一半,他們需要做的就是找到潛入昆蟲軀體、控制它們行動的方法。
DARPA的號召引發了加州大學伯克利分校電子工程師邁克爾·馬哈比茲的興趣,他發現大部分科學家可能會從實驗室慣用的蒼蠅、蛾子開始研究,不過他認爲甲蟲是更好的實驗對象。跟蒼蠅、蛾子相比,甲蟲更爲強壯,身體上有硬殼,有些甲蟲的體型夠大,足以擔負一些重要設備。但困難在於,科學家們對甲蟲飛行時的神經和大腦運作知之甚少。
這意味着,解開甲蟲飛行的生物學原理將是一大挑戰。馬哈比茲和他的團隊開始研究幾種甲蟲,最終選中了一種花金龜子,這種甲蟲體長超過5釐米,有嚇人的爪子,公甲蟲的前額上還有犀牛般的角。馬哈比茲和他的團隊先把甲蟲放進冰盒中,令它的體溫下降,進入麻醉狀態。然後他們將甲蟲從冰盒中取出,用細針刺穿它的外殼,直接在它的腦部負責視覺的區域挖開小洞,將很細的鋼絲穿進洞裏。在甲蟲身體另一邊負責調節雙翼的大腦區域,研究人員重複同樣的工作。這些鋼絲的另外一端最終被收進放置在甲蟲背部的一個電子“揹包”裏,“揹包”裏裝有用來遠程控制甲蟲飛行的儀器,包括微型無線電接收器、定製電路板和電池。
這一切完成後,一名研究人員在手提電腦上啓動定製的“甲蟲指揮官”軟件,發出信號後,甲蟲的翅膀開始拍動,實驗室裏充斥着嗡嗡聲,機械甲蟲起飛了。甲蟲飛行不需要輔助設備的幫助,但卻接受研究人員的指令。
馬哈比茲展示了他的成果之後,立即引發了美國媒體的關注,一些人擔心機械昆蟲可能被用於竊聽美國公民,對此馬哈比茲表示不希望機械昆蟲用於這一用途,而是用於海外軍事行動。
機械老鼠
能執行地面任務的機械部隊
如果要執行地面任務的話,光是有機械昆蟲還是不夠的。美國紐約州立大學的實驗室研製出了遠程控制老鼠,用於執行地面任務。在十幾年前,神經系統科學家約翰·查平就已帶領紐約州立大學的研究小組展開對遠程控制老鼠的研究。
爲了實現對老鼠的遠程控制,研究人員首先得打開老鼠的頭顱,將鋼絲植入它們的大腦。然後他們在老鼠的頭顱上開一個小洞,讓鋼絲從小洞中伸出來,跟機械甲蟲類似,鋼絲的另一端被收入固定於老鼠背部的“揹包”裏。這個老鼠“揹包”裏有一整套電子設備,包括微型處理器和一個能接收遙遠信號的接收器。研究人員可以坐在距離老鼠500米遠的地方,用電腦將信息發送給接收器,接收器繼而將信號轉送給微型處理器,微型處理器會通過鋼絲將電荷直接傳送至老鼠的大腦。
在訓練機械老鼠的過程中,紐約州立大學的科學家們採用了一種非傳統的方式來鞏固老鼠對指令的反應。如果老鼠接到指令後轉向了正確的方向,他們就通過電線將電流脈衝傳送至老鼠的前腦內側束——負責處理快感的區域。針對人類以及其他動物的研究顯示,直接激活前腦內側束會造成實驗對象的愉快感覺。因此研究人員用電流脈衝刺激老鼠的前腦內側束,相當於是對它們良好表現的精神獎勵。
經歷過由10個部分組成的訓練之後,機械老鼠將學會對輸送至腦部的指令和獎賞作出正確反應。研究人員曾模擬搜救任務讓機械老鼠執行,他們用毛巾摩擦自己的手臂,讓老鼠認識這種人類氣味。然後用有機玻璃建造了一個小型“競技場”,在裏面放入一層厚厚的木屑,將帶有人類氣味的毛巾埋在木屑下面,機械老鼠不到一分鐘就找到了毛巾。科學家們還發現,接受精神獎勵培訓的機械老鼠尋找毛巾時,比用傳統的食物獎勵培訓的老鼠更爲積極。
DIY機械昆蟲
美國一家公司已將之變爲現實
曾是神經科學研究人員的克雷格·蓋奇和蒂姆·馬爾祖洛試圖普及機械昆蟲技術,他們希望能讓任何擁有網絡連接的人,僅需花上50美元就可以擁有屬於自己的機械昆蟲。
2009年,蓋奇和馬爾祖洛創立了Backyard Brains公司。他們的首個產品是一種稱爲“SpikerBox”的裝備,能夠讓購買者實時觀察蟑螂的神經電流。SpikerBox能增強蟑螂神經元的電活動,將其傳送至相連的電腦或智能手機,然後屏幕上就會出現電活動的圖像。
從機械動物的研究上獲得靈感,蓋奇和馬爾祖洛推出的第二款產品將功能拓展至了大腦控制領域,發明了能讓購買者控制蟑螂神經系統的設備“RoboRoach”。從原理上來說,RoboRoach跟機械甲蟲沒有多大差別,這意味着未來人人都能在自己家裏試着製造機械昆蟲。
馬爾祖洛設計了一個小型的黑色盒子,固定於蟑螂的頭頂,用於收入電線的另一端,連接組合電路板。通過一個遠程控制器,就能夠向蟑螂發送電流脈衝,按照馬爾祖洛的話來說,“全球第一隻商業機械蟑螂就誕生了”。
Backyard Brains公司正融入這種浪潮之中,向業餘愛好者們提供一些科學研究中最爲複雜精妙的工具和技術。在未來,最先進的機械生物可能並非來自一流實驗室,而是出自業餘愛好者之手。迎接人們的將是一個奇妙的世界——不管是誰,只要有一點時間、一點金錢和一點想象力,就能控制某個動物的大腦,因此開始思考生物科技的道德底線已是迫在眉睫的問題。
(據《現代快報》報道)
2006年,美國國防部高級研究計劃局號召科學家們研發機械昆蟲技術,從那之後,控制生物大腦的神經科學技術有了長足的發展。比如,科學家們能通過遠程控制,指揮機械甲蟲執行偵察任務。更爲神奇的是,這種技術已從實驗室中走了出來,走向了公衆手中。這意味着在未來,人人都能夠製造屬於自己的機械動物。