批量將蟑螂改造為機器人…？先別劃走！應(yīng)用前景超乎想象！

如果告訴你，科學(xué)家能在68秒內(nèi)把一只普通蟑螂變成可遠程控制的“生物機器人”，你會相信嗎？這不是科幻電影的情節(jié)，而是剛剛發(fā)表在《自然·通訊》上的真實研究成果。

2025年7月28日，新加坡南洋理工大學(xué)的研究團隊向世界展示了一項革命性技術(shù)：全球首條昆蟲-計算機混合機器人全自動生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)線能夠以前所未有的速度和精度，將活體昆蟲改造成具有可控運動能力的“半機械生物”。更令人震撼的是，整個改造過程完全自動化，從固定昆蟲到完成組裝，僅需68秒。

研究人員手中的半機械蟑螂，背上是控制背包（圖片來源：參考文獻1）

Part.1

為什么是蟑螂？——大自然的“最優(yōu)選”

在尋找理想的生物平臺時，研究團隊將目光投向了一種特殊的生物——馬達加斯加蟑螂。這種世界上最大的蟑螂之一，成年個體身長可達5-7cm，體重6-8g，看似平凡的外表下隱藏著驚人的能力。

蟑螂擁有工程師們夢寐以求的幾大“超能力”：

超長待機：能源系統(tǒng)完全自給自足，通過簡單的進食就能獲得持續(xù)數(shù)天的動力，而同等大小的機械機器人往往在幾十分鐘后就會電量耗盡。

極限縮骨：能將身體壓縮到原始高度的四分之一，穿過僅有幾毫米的縫隙，這種柔性變形能力是當(dāng)前任何微型機器人都望塵莫及的。

超強負載：盡管體重輕巧，卻能攜帶相當(dāng)于自身體重兩倍的負載（約15克），足以加裝各種傳感器和通信設(shè)備。

生存專家：耐高溫、耐輻射、耐缺氧，這些特性使蟑螂成為執(zhí)行危險任務(wù)的理想平臺。

Part.2

控制的突破：從“觸角”到“關(guān)節(jié)”

傳統(tǒng)的昆蟲控制方法，需要在昆蟲纖細的觸角（直徑僅 0.6 mm）上植入電極，操作難度極大，就像試圖在一根頭發(fā)絲上進行精密手術(shù)，成功率低且容易損傷昆蟲的感知系統(tǒng)。

研究團隊的突破性創(chuàng)新改變了游戲規(guī)則。他們首次將控制點從脆弱的觸角轉(zhuǎn)移到了蟑螂前胸與中胸之間的彈性薄膜上。這塊薄膜就像是大自然為科學(xué)家預(yù)留的接口，不僅面積更大、位置固定，而且與控制前肢運動的神經(jīng)系統(tǒng)直接相連。

為了利用這個發(fā)現(xiàn)，團隊開發(fā)了獨特的Y形雙極電極。當(dāng)3V的電脈沖通過電極傳導(dǎo)時，神奇的事情發(fā)生了：刺激右側(cè)電極，蟑螂會向左轉(zhuǎn)；刺激左側(cè)，則向右轉(zhuǎn)；同時刺激兩側(cè)，蟑螂則會減速。整個響應(yīng)時間僅需0.4秒，這種精準快速的控制此前從未實現(xiàn)過。

Part.3

68秒的“智造”奇跡：從手工作坊到智能工廠

將實驗室的成功轉(zhuǎn)化為可批量生產(chǎn)的技術(shù)，是這項研究最大的亮點。傳統(tǒng)的人工組裝需要經(jīng)驗豐富的研究人員在顯微鏡下細心操作15分鐘，成功與否很大程度上取決于操作者的技術(shù)水平和當(dāng)天的狀態(tài)。

全新的自動化系統(tǒng)徹底改變了這一切。系統(tǒng)的核心是一套精密的視覺定位技術(shù)，采用深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練的TransUNet模型，通過分析6570張標注圖像，學(xué)會了識別不同體型蟑螂的解剖結(jié)構(gòu)。它就像一個訓(xùn)練有素的解剖學(xué)家，即使面對從未見過的個體，系統(tǒng)也能在3秒內(nèi)準確定位植入點，精度達到亞毫米級。

機械臂的精準操作令人嘆為觀止。Universal Robots UR3e機械臂的重復(fù)定位精度達到0.03mm，比人的手穩(wěn)定百倍。它輕柔地抓取僅重2.3g的電子背包，像外科醫(yī)生握著手術(shù)刀，每一個動作都經(jīng)過精確計算和優(yōu)化。

最巧妙的是自適應(yīng)固定系統(tǒng)。兩根精密定位桿分別壓住蟑螂的不同部位，使目標薄膜完美暴露。系統(tǒng)會根據(jù)每只蟑螂的體型自動調(diào)節(jié)壓力和角度，確保既能穩(wěn)定固定，又不會造成傷害。這種個性化的處理方式，是人工操作難以達到的。

從麻醉后的蟑螂被放置到平臺，到完成全部組裝并釋放，整個過程行云流水，僅需68秒。對于5.0-6.0cm的標準體型蟑螂，成功率高達86.7%，生產(chǎn)效率提升了13倍。

蟑螂改造自動化流水線示意圖，A為機械臂操作流程，B為電極植入，C為成品，D為電子背包（圖片來源：參考文獻1）

Part.4

群體智慧的展現(xiàn)：協(xié)同作戰(zhàn)的威力

單個半機械蟑螂的能力已經(jīng)令人印象深刻，但當(dāng)它們組成團隊時，展現(xiàn)出的協(xié)同效應(yīng)更加驚人。在一個4平方米的模擬災(zāi)后場景中，研究人員隨機放置了各種障礙物，包括石塊、木板、金屬片等，真實還原了廢墟環(huán)境的復(fù)雜性。四只自動組裝的半機械蟑螂被同時投放到場地中，每只都裝備了超寬帶定位標簽，能夠?qū)崟r追蹤它們的位置。

實驗開始后，蟑螂們按照預(yù)設(shè)的程序開始探索。它們沒有復(fù)雜的路徑規(guī)劃，只是簡單地隨機移動，每10秒接收一次方向調(diào)整指令。然而，就是這種看似簡單的策略，產(chǎn)生了驚人的效果。

10分31秒后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，四只蟑螂共同覆蓋了場地的80.25%，而單只蟑螂的最高覆蓋率僅為45.75%。更重要的是，它們的路徑互補性很強，一只蟑螂探索過的區(qū)域，其他蟑螂會自然地避開，轉(zhuǎn)向未知區(qū)域。這種涌現(xiàn)出的集體智慧，為未來大規(guī)模部署提供了有力支撐。

Part.5

精密工程背后的科學(xué)原理

這項技術(shù)的成功離不開多個學(xué)科的交叉融合。

材料科學(xué)：研究團隊創(chuàng)新性地采用了多材料3D打印技術(shù)。普通樹脂提供結(jié)構(gòu)強度，而含有鈀催化劑的活性樹脂則在特定區(qū)域形成導(dǎo)電通路。通過精確控制打印參數(shù)，他們制造出了既堅固又導(dǎo)電的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

化學(xué)鍍銅工藝：在含有硫酸銅和甲醛的鍍液中，鈀催化劑觸發(fā)了銅的選擇性沉積。經(jīng)過16分鐘的精確控制，形成了厚度為2.5微米的均勻銅層，電阻低于70歐姆，確保了電信號的有效傳輸。

深度學(xué)習(xí)算法：TransUNet模型巧妙地結(jié)合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部特征提取能力和Transformer的全局信息整合能力。通過學(xué)習(xí)數(shù)千張蟑螂圖像，模型不僅能識別前胸的位置，還能理解不同個體間的形態(tài)差異，實現(xiàn)了93.3%的分割準確率。

神經(jīng)生理學(xué)：當(dāng)電極刺激薄膜時，電信號通過神經(jīng)傳導(dǎo)到前肢肌肉，引起收縮。研究團隊通過記錄神經(jīng)電信號，優(yōu)化了刺激參數(shù)——3V的電壓既能產(chǎn)生明顯的行為響應(yīng)，又不會造成神經(jīng)損傷。

Part.6

從實驗室走向現(xiàn)實世界

這項技術(shù)的應(yīng)用前景遠超想象：

災(zāi)難救援：地震后,數(shù)百只半機械蟑螂可以迅速部署，它們攜帶生命探測器、氣體傳感器、微型攝像頭，深入人類和搜救犬無法進入的縫隙搜尋生命跡象。

工業(yè)檢測：它們可以輕松進入城市地下管網(wǎng)，檢測泄漏點、評估腐蝕程度、發(fā)現(xiàn)堵塞位置。

環(huán)境監(jiān)測與軍事應(yīng)用：在高危區(qū)域（如核電站、化工廠）定期巡檢，構(gòu)建森林火災(zāi)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，或進入敵方陣地收集情報。

Part.7

技術(shù)進步與倫理平衡

這項研究不可避免地引發(fā)了倫理討論。將活體生物改造成可控制的工具，這種做法是否合適？研究團隊對此有深入的思考和嚴格的規(guī)范。

所有實驗都在嚴格的動物福利框架下進行。蟑螂在操作前會被二氧化碳麻醉，確保它們不會感到痛苦。電極的植入是微創(chuàng)的，不會對蟑螂的基本生理功能造成永久損害。實驗結(jié)束后，設(shè)備可以被移除，蟑螂也能恢復(fù)正常生活。

更重要的是，我們需權(quán)衡利弊。這項技術(shù)的最終目的在于拯救生命、保護環(huán)境、提高人類福祉。在關(guān)鍵時刻，一只半機械蟑螂可能意味著一條人命的挽救，或一次環(huán)境災(zāi)難的避免。從這個角度看，技術(shù)的價值可能遠超過潛在的倫理顧慮。

研究團隊同時也在探索更加人道的方案。未來有望開發(fā)出完全無創(chuàng)的控制方法，比如通過光遺傳學(xué)技術(shù)，利用光信號而非電信號來控制昆蟲行為。同時，他們還在研究如何讓昆蟲在執(zhí)行任務(wù)時獲得“獎勵”，從而建立一種互利共生的關(guān)系。

Part.8

生物與技術(shù)融合的新紀元

僅僅68秒就造出一只活體機械蟑螂，這個數(shù)字不僅標志者生產(chǎn)效率的提升，更體現(xiàn)了人類對生命系統(tǒng)理解和利用能力的飛躍。我們正站在一個新紀元的門檻上，生物與技術(shù)的界限正在消融，這種混合系統(tǒng)展現(xiàn)出前所未有的潛力。

未來的發(fā)展方向同樣令人期待。研究團隊正在開發(fā)更小型化的控制系統(tǒng)，目標是將電子背包的整體重量降到1克以下。新一代的電極將采用柔性電子技術(shù)，能與昆蟲身體更好地貼合。人工智能算法將賦予半機械昆蟲自主決策能力，使它們能夠獨立完成復(fù)雜任務(wù)。

這項研究的成功也為其他生物機器人的開發(fā)鋪平了道路。科學(xué)家們正在探索將類似技術(shù)應(yīng)用于甲蟲、蜻蜓、甚至更復(fù)雜的小型哺乳動物。每種生物都有其獨特的優(yōu)勢，通過技術(shù)增強，它們將在不同領(lǐng)域發(fā)揮獨特作用。

當(dāng)科幻變成現(xiàn)實，當(dāng)生命與機器融合，我們看到的不是自然的終結(jié)，而是進化的新篇章。這些半機械生物不是要取代自然，而是要增強我們與自然合作的能力，以共同應(yīng)對人類面臨的挑戰(zhàn)。從實驗室的第一只改造蟑螂，到如今的自動化生產(chǎn)線，這段旅程展現(xiàn)了科學(xué)創(chuàng)新的巨大力量。這，僅僅是一個開始。

參考文獻：

[1]Cyborg insect factory: automatic assembly for insect-computer hybrid robot via vision-guided robotic arm manipulation of custom bipolar electrodes

出品：科普中國

作者：郭菲

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