遙控蟑螂科普知識(shí)

遙控蟑螂科普知識(shí)

　　科普知識(shí)是一種用通俗易懂的語(yǔ)言，來解釋種種科學(xué)現(xiàn)象和理論的知識(shí)文字，用以普及科學(xué)知識(shí)為目的。下面就讓小編帶你去看看遙控蟑螂科普知識(shí)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(zāi)害搜救等領(lǐng)域的前景。最近，一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)蟑螂-計(jì)算機(jī)混合系統(tǒng)研發(fā)，終于把蟑螂全面武裝成了災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定可靠的搜救專家。

　　一、天選“負(fù)重者”

　　非洲馬達(dá)加斯加島上的腐爛原木內(nèi)，生活著二十多種大型蟑螂，馬達(dá)加斯加發(fā)聲蟑螂是其中最廣為人知的一種。成蟲體長(zhǎng)可達(dá)7.5厘米，壽命可達(dá)五年。發(fā)聲蟑螂使用氣孔強(qiáng)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，還成了昆蟲愛好者們追捧的寵物，并配以愛稱“嘶嘶兒”（hisser）。

　　得益于體型健碩卻沒有翅膀，它們“力能扛鼎”，能夠在負(fù)載近十克重物的狀況下保持靈活行動(dòng)，因此也背負(fù)了昆蟲-計(jì)算機(jī)混合系統(tǒng)研發(fā)的希望。5月23日發(fā)表在arXiv的一項(xiàng)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(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)的搜救專家。

　　二、遙控蟑螂

　　馬達(dá)加斯加發(fā)聲蟑螂被研發(fā)者們盯上并不是新鮮事。研究昆蟲神經(jīng)科學(xué)的學(xué)者們很早就已開始了解它們觸角和背部的神經(jīng)系統(tǒng)，近十年前就開始對(duì)它們動(dòng)起了真刀。2012年，美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)的研究者就已經(jīng)能夠通過向這種蟑螂的觸須施加電刺激控制其行進(jìn)方向了。這一過程被研究者比作了騎馬：包含了微控制器、信號(hào)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，通過一側(cè)“韁繩”傳遞的電脈沖信號(hào)會(huì)使蟑螂認(rèn)為該側(cè)存在障礙物，從而轉(zhuǎn)向另一方向。

　　這些研究開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(fèi)一分鐘才能爬完。加之能耗大、電池容量低，過短的續(xù)航大大限制了實(shí)用價(jià)值。

　　不過，電子背包的優(yōu)化空間很大。最近幾年出現(xiàn)了更加緊湊的設(shè)計(jì)，可以讓蟑螂輕裝上陣。2015年，美國(guó)得克薩斯農(nóng)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。它的控制器和無線接收器尺寸都被優(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(fù)。這項(xiàng)研究還引入了糾錯(cuò)機(jī)制，當(dāng)蟑螂沒有正確響應(yīng)信號(hào)刺激時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)再次釋放脈沖，糾正蟑螂的前進(jìn)方向。

　　隨著昆蟲神經(jīng)研究和電子技術(shù)的進(jìn)步，電子控制背包也開始走出實(shí)驗(yàn)室。專注生物神經(jīng)系統(tǒng)的公司從2013年起，開始面向消費(fèi)者開發(fā)開箱即用的蟑螂控制系統(tǒng)，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”的樂趣。一并在官網(wǎng)開放售賣的還有蟑螂手術(shù)箱、蟑螂醫(yī)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(shí)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(nèi)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連接到套件進(jìn)行信號(hào)分析，也能夠通過藍(lán)牙連接，在一定距離內(nèi)由智能手機(jī)等設(shè)備無線操控。

　　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(qiáng)的生存力所提供的潛力不止于此，研究者們也并不滿足于在實(shí)驗(yàn)室和花園里玩弄蟑螂。他們的終極目標(biāo)是將蟑螂培養(yǎng)成災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的搜救專家。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(shù)分鐘的續(xù)航顯然不足以完成任務(wù)，這需要更高儲(chǔ)量的電池和更低的能耗。搜救并無既定路線，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況決定方向，而遠(yuǎn)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)行無線控制信號(hào)接收，而并沒有任何信號(hào)傳感和發(fā)送功能，即使是通過電極獲取的神經(jīng)電信號(hào)，也需要通過電纜有線連接到設(shè)備才能讀取。更何況圖像分析、避障路線計(jì)算等工作需要相當(dāng)?shù)倪\(yùn)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足算力需求。2015年得克薩斯農(nóng)工大學(xué)制成的電子背包已“重達(dá)”3g，卻只能維持2小時(shí)續(xù)航，且美洲大蠊在進(jìn)行1小時(shí)連續(xù)實(shí)驗(yàn)后，就不得不休息來讓行動(dòng)力從疲勞中恢復(fù)。若以簡(jiǎn)單疊加方式在電子背包中新增更多傳感、計(jì)算和通信組件，續(xù)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(duì)這些障礙的解決方案，通過更徹底地融合昆蟲平臺(tái)和微控制器技術(shù)，創(chuàng)造了有史以來第一個(gè)專為搜救任務(wù)設(shè)計(jì)的完整昆蟲-計(jì)算機(jī)混合系統(tǒng)。這一設(shè)計(jì)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(dǎo)航時(shí)與障礙信息有關(guān)的神經(jīng)電信號(hào)。在了解蟑螂本身對(duì)障礙物的感知和對(duì)可行路徑的判斷后，再與定制的導(dǎo)航控制算法結(jié)合，使用機(jī)器學(xué)習(xí)用紅外圖像和其他信息檢測(cè)人體存在、進(jìn)行路線推算，即使在復(fù)雜地形下也能通過昆蟲-計(jì)算機(jī)的“協(xié)商”（negotiation）進(jìn)行高效的探索。

　　這一結(jié)構(gòu)降低了對(duì)外部控制的需求，使得系統(tǒng)依靠自身就能完成檢測(cè)、尋徑和方向控制。新技術(shù)與蟑螂自身更緊密的結(jié)合也降低了算力和能源需求，使裝置的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)達(dá)到了一個(gè)小時(shí)，足以滿足相當(dāng)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，這一系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)條件下有94%的搜救成功率。