这是一只由马达加斯加蟑螂改造的半机械化昆虫，背上的电子器件包括运动控制器、无线通信模块和小型锂电池。图片来源：Hirotaka Sato团队官网

■本报实习生 马彬凯 记者 赵广立

在新加坡南洋理工大学的一间实验室里，教授Hirotaka Sato的研究团队正在“制造”一批特殊的昆虫。这些马达加斯加发声蟑螂，将被安装上一种微型电子“背包”，成为“半机械化昆虫”。

这种半机械化昆虫是一款结合了活体昆虫和微型电子控制器的生物机器人。科学家研制它的目的是希望这些蟑螂能够穿越复杂的地形，为灾后搜救、精准农业或物流优化提供支持。

《中国科学报》了解到，Sato专注半机械化昆虫研究已有10年之久。在他的努力下，这种特殊的“机器虫”正从幕后走到台前。

向实际应用迈进一大步

据Sato团队官网介绍，早在2015年3月，《当代生物》便将他们研发的半机械化甲虫放到了封面，并对其原理和应用做了详细报道。

在此之后，半机械化昆虫的研究和应用得到了大量关注。尤其是关于其穿越迷宫等复杂地形、在地震等灾后实施救援的研究论文，相继登上了不同期刊。

1月6日，在发表于《自然-通讯》的论文中，Sato团队详细介绍了他们在半机械化昆虫技术领域的最新研究成果。此次研究取得多项突破，让半机械化昆虫距离实际应用又近了一步。

论文介绍，马达加斯加发声蟑螂背上的微型电子“背包”包含一块主控制板、一个无线通信模块和一块小型可充电锂电池。Sato说，安装过程要极其小心，既要确保电子元件有效运行，又不能影响昆虫的自然活动。

在Sato团队实验室，每只昆虫背上都被安装了这个装置。接下来，它们将经历一场前所未有的冒险。

复杂地形中的群体导航实验

论文显示，与以往研究相比，此次实验首次展示了半机械化昆虫在完全未知和障碍密布的地形中的自主导航能力。这种自主导航能力基于Sato团队开发的一种全新“去中心化群体导航算法”，后者的导入使得这些半机械化昆虫能够自发协调行动，而无须依赖外部精确的定位系统。

据介绍，“去中心化群体导航算法”是指昆虫不依赖中央控制调度，而是靠彼此的局部感知与合作，在没有外部精确定位系统的情况下完成群体协作任务。

在Sato团队的最新实验中，3.5平方米的实验场地上布满了石块和小丘，模拟了灾后废墟的复杂环境。该团队将这些半机械化昆虫放入场地，并启动导航算法。研究人员发现，在算法作用下，“半机械化昆虫部队”能够在这种复杂环境中完成任务。

为实现“去中心化群体导航算法”，Sato团队设计的“旅游团启发控制”算法（TGI算法）是这次实验的核心。该算法模仿了游客跟随导游的行为，由一只昆虫担任领队，其他昆虫在后跟随。

通过简单的规则，该算法可以让昆虫群保持队形并有效避开障碍。每只昆虫的行动都会受到邻近昆虫的影响，它们在行进过程中会根据彼此的距离和朝向不断调整方向。

团队成员还在实验中注意到，当一只昆虫因遇到障碍而减速时，其他昆虫会本能地绕开它，形成一个自然的避让机制。这种行为就像超市中的顾客选择较短的队伍结账一样，展现了一种有趣的群体协助能力。

研究结果表明，在经过10次实验后，半机械化昆虫群能够有效地在未知障碍地形中导航，并成功抵达目标位置。TGI算法显著减少了昆虫之间的纠缠现象，提高了导航的安全性和效率。

此外，研究团队还创新性地利用自然本能和群体行为，有效减少了昆虫之间可能存在的干扰或影响，提高了系统的稳健性和效率。

“这些突破性进展为半机械化昆虫在实际应用中的大规模部署奠定了基础，展现出巨大的应用潜力。”论文作者说。

昆虫并未完全成为“傀儡”

值得一提的是，在这项研究中，研究人员并没有破坏昆虫的神经系统从而让它们成为“傀儡”。论文介绍，昆虫携带的“背包”通过无线信号与昆虫的神经系统连接，研究人员可通过电刺激的方式控制昆虫的运动。

同时，控制信号并不会破坏昆虫的神经系统，而是通过模拟自然的神经信号引导昆虫执行特定动作。也就是说，昆虫的基本生理功能和自然行为得以保留，只是它们的行动受到外部控制。

另据Sato团队观察，这种外在控制并没有显现出对昆虫生存状态的显著影响。“实验表明，昆虫在执行任务期间并未表现出明显的健康问题或寿命减少。”Sato解释说，这大概是因为昆虫的活动虽然被控制，但它们依然能够保持基本的生理活性。

Sato表示，这种技术的关键在于昆虫依然依赖其自然的运动能力和生理机能，电子设备并未完全替代它们的自然反应，而是通过辅助和引导来提升它们的任务完成能力。因此，昆虫在控制下的存活时间与它们自然的生理周期相似，且没有受到显著影响。

对于未来的研究方向，Sato表示，后续研究将结合惯性测量单元和超宽带技术，进一步提升半机械化昆虫的自主定位能力。同时还将更加真实具体地模拟算法在物流、灾害响应、农业等实际场景中的应用潜力。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55197-8