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核心提示：數(shù)百年的進(jìn)化史賦予了自然界的動(dòng)物在惡劣環(huán)境中生存的卓越能力，如果能利用這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合人類(lèi)先進(jìn)的機(jī)械科學(xué)技術(shù)，將是突破現(xiàn)有機(jī)器人領(lǐng)域的瓶頸的新道路。
“動(dòng)物＋機(jī)器人”誕生了新型生物機(jī)器人
近日，大阪大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一只機(jī)器人蟑螂，并利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)機(jī)器人蟑螂進(jìn)行自動(dòng)刺激，從而優(yōu)化了它的運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)全新的理念下誕生的新產(chǎn)品，以往的仿生機(jī)器人都采取利用其他材質(zhì)模仿動(dòng)物而造出來(lái)的機(jī)器人本體，而這次則是在動(dòng)物身上直接加入了科技元素，是動(dòng)物與機(jī)器人的融合。
數(shù)百年的進(jìn)化史賦予了自然界的動(dòng)物在惡劣環(huán)境中生存的卓越能力，如果能利用這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合人類(lèi)先進(jìn)的機(jī)械科學(xué)技術(shù)，將是突破現(xiàn)有機(jī)器人領(lǐng)域的瓶頸的新道路。
昆蟲(chóng)有更簡(jiǎn)單的神經(jīng)肌肉通路以及更容易侵入性刺激周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，使得他的肌肉更容易被控制，從而更受科學(xué)家們關(guān)注。于是，科學(xué)家們嘗試在蟑螂的尾絲植入電極，通過(guò)電信號(hào)刺激蟑螂，使得蟑螂可以根據(jù)控制者的想法動(dòng)起來(lái)。
蟑螂這類(lèi)的生物喜歡在黑暗的地方活動(dòng)，有人說(shuō)這是畏光，其實(shí)這是深深刻在他們基因中的一種生活習(xí)性。那么這樣的習(xí)性能否被人為改變呢？能否讓蟑螂無(wú)論晝夜都可以擁有一樣的行動(dòng)能力呢？
答案是肯定的。直接在這些動(dòng)物身上構(gòu)建可控機(jī)器，通過(guò)將刺激電極植入它們的大腦或周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)來(lái)控制它們的運(yùn)動(dòng)，甚至可以通過(guò)監(jiān)視器看到它們所看到的，這就是所謂的半機(jī)械生物。
蟑螂具有驚人的運(yùn)動(dòng)能力，明顯優(yōu)于任何類(lèi)似大小的仿生機(jī)器人。因此，具有這種敏捷運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人蟑螂更適合在傳統(tǒng)機(jī)器人難以進(jìn)入的未知環(huán)境中執(zhí)行搜索和救援任務(wù)。
然而，由于蟑螂是夜行性動(dòng)物，在夜間或黑暗中更為活躍，在某些情況下，他們懶得從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方或傾向于靜止不動(dòng)，尤其是在角落區(qū)域。這將會(huì)限制了機(jī)器人蟑螂在未知環(huán)境下的搜索和救援效果，同時(shí)也很難在黑暗的環(huán)境中通過(guò)mini攝像機(jī)把實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)魉偷奖O(jiān)視器上，因此，需要優(yōu)化它們的運(yùn)動(dòng)，以便在各種情況下使用機(jī)器人昆蟲(chóng)。
研究人員使用慣性測(cè)量單元(IMU)來(lái)捕捉半機(jī)械人昆蟲(chóng)的線加速度和角速度，利用IMU測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，根據(jù)收集得到的數(shù)據(jù)，利用蟑螂的電子背包進(jìn)行控制，提高蟑螂的搜索速度和行進(jìn)距離，并減少蟑螂在有界空間中的停留時(shí)間，達(dá)到預(yù)期效果。
研究人員首先將蟑螂浸入小塊冰中30分鐘以進(jìn)行麻醉，利用這個(gè)時(shí)間在蟑螂的將鉑電極植入胸腔、右側(cè)尾骨和左側(cè)尾骨。使用54mm母頭5針單排排作為蟑螂與電子背包之間的連接器。連接器粘在蟑螂胸部第一段上。直徑為 0.26 mm 的鍍錫軟銅線（單線）用作從植入的鉑到插頭引腳連接器的導(dǎo)線延伸。
這種使用電刺激的方法是比較有進(jìn)步空間的解決方案，由AI算法通過(guò)機(jī)載測(cè)量確定的數(shù)據(jù)可以更好地解決機(jī)器人靈活性和自由度的問(wèn)題。科學(xué)家們不必像控制機(jī)器人那樣控制蟑螂，而是依靠蟑螂自身的活動(dòng)能力稍加刺激便可以。比如在救援場(chǎng)景中，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)他的身體，或者在方向錯(cuò)誤時(shí)對(duì)蟑螂進(jìn)行刺激，就可以使蟑螂按照自己的習(xí)性和控制人員想要的方向向一些難以進(jìn)入的地方出發(fā)。
據(jù)了解，在蟑螂身上配備了這樣的系統(tǒng)后，機(jī)器人蟑螂成功地將其平均搜索率和移動(dòng)距離分別提高了68%和70%，同時(shí)停止時(shí)間減少了78%。研究人員在接受采訪時(shí)表示：“我們已經(jīng)證明，對(duì)蟑螂的尾絲進(jìn)行電刺激觸發(fā)馬達(dá)的自由行走是可行的；它可以克服其先天習(xí)性，例如，在通常會(huì)減少運(yùn)動(dòng)的黑暗和寒冷環(huán)境中增加運(yùn)動(dòng)。”
雖然研發(fā)朝著積極的方向發(fā)展，但距離真正投入使用還有一段距離。有個(gè)有意思的問(wèn)題是，例如地震的救援，遇害人在廢墟底下等待救援時(shí)心理已經(jīng)很脆弱，若這時(shí)候在他的附近突然出現(xiàn)一只蟑螂，可能會(huì)加劇他恐懼的心理，嚴(yán)重者甚至有可能打破心理防線，產(chǎn)生絕望或者放棄的心理；若是進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援，火場(chǎng)上的高溫等惡劣環(huán)境下蟑螂是否還是正確的載體，電子元件在如此高溫的環(huán)境下工作性能如何，這都是有待考證的問(wèn)題。
如今，各式各樣的機(jī)器人正在開(kāi)發(fā)中，研發(fā)人員們嘗試各種思路研發(fā)新型機(jī)器人，為了使機(jī)器人具備更加廣闊的用途和打開(kāi)更加龐大的市場(chǎng)。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，再過(guò)20年，機(jī)器人與人類(lèi)的比例將會(huì)達(dá)到4:1，也就是每個(gè)人都被4個(gè)機(jī)器人所服務(wù)著，這將對(duì)機(jī)器人功能、性能和用途提出更大的要求。
近日，大阪大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一只機(jī)器人蟑螂，并利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)機(jī)器人蟑螂進(jìn)行自動(dòng)刺激，從而優(yōu)化了它的運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)全新的理念下誕生的新產(chǎn)品，以往的仿生機(jī)器人都采取利用其他材質(zhì)模仿動(dòng)物而造出來(lái)的機(jī)器人本體，而這次則是在動(dòng)物身上直接加入了科技元素，是動(dòng)物與機(jī)器人的融合。
數(shù)百年的進(jìn)化史賦予了自然界的動(dòng)物在惡劣環(huán)境中生存的卓越能力，如果能利用這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合人類(lèi)先進(jìn)的機(jī)械科學(xué)技術(shù)，將是突破現(xiàn)有機(jī)器人領(lǐng)域的瓶頸的新道路。
昆蟲(chóng)有更簡(jiǎn)單的神經(jīng)肌肉通路以及更容易侵入性刺激周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，使得他的肌肉更容易被控制，從而更受科學(xué)家們關(guān)注。于是，科學(xué)家們嘗試在蟑螂的尾絲植入電極，通過(guò)電信號(hào)刺激蟑螂，使得蟑螂可以根據(jù)控制者的想法動(dòng)起來(lái)。
蟑螂這類(lèi)的生物喜歡在黑暗的地方活動(dòng)，有人說(shuō)這是畏光，其實(shí)這是深深刻在他們基因中的一種生活習(xí)性。那么這樣的習(xí)性能否被人為改變呢？能否讓蟑螂無(wú)論晝夜都可以擁有一樣的行動(dòng)能力呢？
答案是肯定的。直接在這些動(dòng)物身上構(gòu)建可控機(jī)器，通過(guò)將刺激電極植入它們的大腦或周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)來(lái)控制它們的運(yùn)動(dòng)，甚至可以通過(guò)監(jiān)視器看到它們所看到的，這就是所謂的半機(jī)械生物。
蟑螂具有驚人的運(yùn)動(dòng)能力，明顯優(yōu)于任何類(lèi)似大小的仿生機(jī)器人。因此，具有這種敏捷運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人蟑螂更適合在傳統(tǒng)機(jī)器人難以進(jìn)入的未知環(huán)境中執(zhí)行搜索和救援任務(wù)。
然而，由于蟑螂是夜行性動(dòng)物，在夜間或黑暗中更為活躍，在某些情況下，他們懶得從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方或傾向于靜止不動(dòng)，尤其是在角落區(qū)域。這將會(huì)限制了機(jī)器人蟑螂在未知環(huán)境下的搜索和救援效果，同時(shí)也很難在黑暗的環(huán)境中通過(guò)mini攝像機(jī)把實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)魉偷奖O(jiān)視器上，因此，需要優(yōu)化它們的運(yùn)動(dòng)，以便在各種情況下使用機(jī)器人昆蟲(chóng)。
研究人員使用慣性測(cè)量單元(IMU)來(lái)捕捉半機(jī)械人昆蟲(chóng)的線加速度和角速度，利用IMU測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，根據(jù)收集得到的數(shù)據(jù)，利用蟑螂的電子背包進(jìn)行控制，提高蟑螂的搜索速度和行進(jìn)距離，并減少蟑螂在有界空間中的停留時(shí)間，達(dá)到預(yù)期效果。
研究人員首先將蟑螂浸入小塊冰中30分鐘以進(jìn)行麻醉，利用這個(gè)時(shí)間在蟑螂的將鉑電極植入胸腔、右側(cè)尾骨和左側(cè)尾骨。使用54mm母頭5針單排排作為蟑螂與電子背包之間的連接器。連接器粘在蟑螂胸部第一段上。直徑為 0.26 mm 的鍍錫軟銅線（單線）用作從植入的鉑到插頭引腳連接器的導(dǎo)線延伸。
這種使用電刺激的方法是比較有進(jìn)步空間的解決方案，由AI算法通過(guò)機(jī)載測(cè)量確定的數(shù)據(jù)可以更好地解決機(jī)器人靈活性和自由度的問(wèn)題。科學(xué)家們不必像控制機(jī)器人那樣控制蟑螂，而是依靠蟑螂自身的活動(dòng)能力稍加刺激便可以。比如在救援場(chǎng)景中，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)他的身體，或者在方向錯(cuò)誤時(shí)對(duì)蟑螂進(jìn)行刺激，就可以使蟑螂按照自己的習(xí)性和控制人員想要的方向向一些難以進(jìn)入的地方出發(fā)。
據(jù)了解，在蟑螂身上配備了這樣的系統(tǒng)后，機(jī)器人蟑螂成功地將其平均搜索率和移動(dòng)距離分別提高了68%和70%，同時(shí)停止時(shí)間減少了78%。研究人員在接受采訪時(shí)表示：“我們已經(jīng)證明，對(duì)蟑螂的尾絲進(jìn)行電刺激觸發(fā)馬達(dá)的自由行走是可行的；它可以克服其先天習(xí)性，例如，在通常會(huì)減少運(yùn)動(dòng)的黑暗和寒冷環(huán)境中增加運(yùn)動(dòng)。”
雖然研發(fā)朝著積極的方向發(fā)展，但距離真正投入使用還有一段距離。有個(gè)有意思的問(wèn)題是，例如地震的救援，遇害人在廢墟底下等待救援時(shí)心理已經(jīng)很脆弱，若這時(shí)候在他的附近突然出現(xiàn)一只蟑螂，可能會(huì)加劇他恐懼的心理，嚴(yán)重者甚至有可能打破心理防線，產(chǎn)生絕望或者放棄的心理；若是進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援，火場(chǎng)上的高溫等惡劣環(huán)境下蟑螂是否還是正確的載體，電子元件在如此高溫的環(huán)境下工作性能如何，這都是有待考證的問(wèn)題。
如今，各式各樣的機(jī)器人正在開(kāi)發(fā)中，研發(fā)人員們嘗試各種思路研發(fā)新型機(jī)器人，為了使機(jī)器人具備更加廣闊的用途和打開(kāi)更加龐大的市場(chǎng)。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，再過(guò)20年，機(jī)器人與人類(lèi)的比例將會(huì)達(dá)到4:1，也就是每個(gè)人都被4個(gè)機(jī)器人所服務(wù)著，這將對(duì)機(jī)器人功能、性能和用途提出更大的要求。
