电控昆虫

【英国《新科学家》周刊３月２２日一期文章】题：电子控制蟑螂问世
东京市中心某实验室一个塑料盒中爬满了蟑螂。这是一些利用仿生学增强了功能的蟑螂，它们的翅膀被剪掉了，代之以微型电子电路。
这些不幸的生物是东京大学机械工程师下山有功领导的一项实验工作的组成部分。通过利用微型电极来刺激神经系统，下山有功及其同事创造出可以根据指令向左右转和向前疾奔的“电子控制蟑螂”（ＲｏｂｏＲｏａｃｈ）。他们希望将来有一天电子控制昆虫能够将昆虫引到需要昆虫传粉的作物中，或者能够将害虫引开。然而，他们的最终目标是了解昆虫的生理结构，并且借鉴自然界浑然天成的设计制造出真正的微型机器。由制造微型机器到控制昆虫
大约四年前下山有功在开始这项工作以前，他一直致力于设计能够灵活和独立移动的微型机器，但是那些机器还都没有体积小到可以钻进工业管道内进行检查的程度。然而他不久就意识到设计一种已经在自然界中得以完善的机器是浪费时间。昆虫的移动方式比任何一个已经制造出来的微型机械装置的移动方式都要复杂得多。那么为什么不借助活昆虫的神经系统来使昆虫对你的指令作出反应呢？
他说，就是这么简单，昆虫变得容易控制了。昆虫一般总共有１万至１００万个神经细胞，相比之下，人类仅大脑中就有１００亿个神经细胞。况且和人不一样，昆虫的指示—反应系统非常简单。
为了开发刺激昆虫神经系统的各种方式，下山有功与筑波大学昆虫神经学专家神崎良平携手合作。日本政府向该项目拨款达５００万美元之多，其中大部分来自农林水产省，因为农林水产省希望看到在受控昆虫传粉领域取得的进展。日本政府还将其作为开发微型机器技术计划的一部分来资助。电控蚕蛾
他们开始利用雄性蚕蛾实施研究计划，交配期间雌性蚕蛾会散发出信息素，雄性蚕蛾具有循信息素追踪雌蚕蛾的天性。当雄蚕蛾两个前感觉器官检测到信息素的气息时，就会向翅膀和肢体肌肉发出信号。如果，右侧感觉器官检测到信息素的气息时，则只诱发使蚕蛾向右转的信号。为了跟踪信息素的气息，雄蚕蛾就要不断地改变方向，结果常常是以明显的锯齿形或曲折形路线前进。
下山有功和神崎良平首先分析了在信息素刺激下雄蚕蛾感觉器官向肌肉发出的电信号。他们从将电极插入蚕蛾感觉器官神经元并放大电信号开始入手。然后，他们拿走信息素并进行反向试验，通过电极将电信号传入肌肉。他们很快就解决了这个难题——在人工刺激下，蚕蛾重复走同样的曲折路径。
但是令人惊讶的是，当研究人员用电信号刺激蚕蛾左侧触须时，蚕蛾却向右转。类似的，刺激右侧触须时则向左转。下山有功怀疑人工刺激激活了蚕蛾的逃跑机理，而不是对气味作出反应的神经元。逃跑机理是由对运动和压力作出反应的机械感觉神经元引发的。
研究人员还在研究蚕蛾感觉系统，希望这种感觉系统终有一天会用于工业中——可能会用于检测漏逸的气体。常规的气体检测器远没有蚕蛾的感觉器官灵敏，蚕蛾的感觉器官能够嗅出单个分子的信息素。研究人员希望破解蚕蛾感觉器官的工作方式，以便能在未来微型机器人工“鼻”中加以仿效。甘薯蛾的电子背包
研究人员利用甘薯蛾在昆虫控制研究方面又向前迈进了一步。他们给一只蛾安装了一个无线电发射器，用于测量飞行期间传至肌肉的电信号。他们现在通过利用遥控系统的反馈信号能够控制甘薯蛾的飞行。他们给甘薯蛾安装了一个由电池、红外线接收器和８位微处理器构成的电子背包。他们向微处理器发射红外信号，微处理器则将红外信号转换为电信号，并通过电极将电信号传至甘薯蛾的神经系统。
虽然对飞蛾的研究尚在进行之中，但是研究人员又转向另一种昆虫——蟑螂。
他们测量了蟑螂移动时其触须发出的电信号，观察这些电信号会产生哪些反应，然后设计可以人工再现这些信号的电子电路。结果就出现了电子控制的蟑螂——这是美国研究人员的杰作，固定的电路板取代了翼。利用一个类似用于甘薯蛾的系统，研究人员可以让这些利用仿生学增强了功能的蟑螂前进、向左或者向右转。应用前景广阔
下山有功预见了其研究工作的许多潜在的非同寻常的应用。他说：“如果你能控制一些群居生活的昆虫，你就可能将所有这些昆虫诱入捕网中，或者让这些昆虫给花儿授粉。”例如，少数几个利用仿生学增强了功能的蝗虫可能会用于诱捕成群结队的蝗虫。一只利用仿生学增强了功能的蜜蜂也可能会将蜂群吸引到农作物田地为作物授粉。但是这种做法能否生效还是未知数。研究人员警告说，只控制少数几个昆虫可能不足以操纵昆虫群体。
该研究小组还在绘图板上画出了以昆虫复眼为模型的人工眼，这种眼睛将使微型机器能够在障碍物之间自如穿行。
苍蝇的复眼是由大约７５０个微小晶体组成的蜂窝，每个晶体只盯住视野中的单独一个部分。苍蝇的复眼极薄，但是通过比较周围晶体的视像，苍蝇辨别运动和形状的本领令人惊叹。从事这项研究的瑞典研究人员法布里齐奥·穆拉说：“雄性苍蝇能在空中尾随雌性苍蝇，并落脚在雌性苍蝇身上。”下山有功认为这种高技术苍蝇复眼也能用于摄像机。他说：“这种摄像机在检查管道内部的工作中会非常有用。”
新闻媒体渲染这样一种应用前景，即装备了微型摄像机的昆虫能用于寻找地震后瓦砾下的人。但是会不会派这样的昆虫去从事间谍活动呢？
最重要的是，下山有功和神崎良平都将电子控制的昆虫和人造苍蝇眼视为工程师如何能够从中学习并且复制昆虫简单神经系统的例子。下山有功说：“我们最终目的是创造出人造的微型机器。电子控制的昆虫只是朝着这个目标迈出的一步。”