机器动物——实验室新工具

机器人工程师总是从自然中寻找灵感。然而，在过去几年里，他们的研究重点开始改变了。科学家们不像先前那样为制造更好的机器人而研究动物，而是为更好地了解动物而研究机器动物
【英国《焦点》月刊10月号文章】题：机器动物——实验室的新工具（作者　卡罗琳·威廉斯）
过去10年里自动装置技术的发展以及电脑部件的不断缩小意味着小型自动装置可以具备日益强大的处理能力。机器动物与真的动物相比具有很多优点。在对它们的人造大脑实行操作时，你无需考虑道德难题或动物权益问题。而且，人们可以利用它们揭示支配很多动物行为的神经线。
这种技术的原理相当简单。如果你得出了一种动物的某种行为可能由大脑的某个部分控制的理论，你就可以制造一个自动装置，设计它的电路来模仿这种大脑构造。然后你在实验室像对待真的动物一样，利用同种观察、测量和重复技术考察其行为。在这种情况下，如果它的行为和真正的动物相同，你很可能会有所收获。
《人工动物学》的作者之一欧文·霍兰解释说：“如果这种理论对一个自动装置适用，你就可以确定你理论的某些部分是正确的。但如果它不适用，那么几乎肯定是你错了。”通常，证明理论的错误更加有用，因为这会揭示理论存在的问题并缩小研究人员寻找答案的范围。如果对机器动物的实验显示理论是正确的，这种理论可以反过来应用于生物学，为研究人员进行真动物实验提供有价值的起点。
能够揭示是什么促成了动物行为的机器动物的一个例子是斯特林大学芭芭拉·韦布博士的机器蟋蟀。在夏季繁殖期，雄性蟋蟀用歌声吸引雌性蟋蟀。尽管生物学家们进行了多年研究，却仍未找到蟋蟀控制这种行为的神经系统，但他们估计这大约需要20个神经元。韦布采用了一种新方法。她制造了一个自动装置，线路设计与蟋蟀的一小部分神经系统相仿，试验它是否能像真的蟋蟀一样找到一个交配对象。
韦布的机器蟋蟀证明，机器动物无需外形相似（这个装置直径6厘米，高10厘米）就可以像真的动物那样行动。它具备了雌性蟋蟀寻找爱侣所依据的全部基本特征。
韦布说：“蟋蟀的耳朵长在腿上，耳朵之间有一个空气管，使它们能够灵敏地听声辨位。在装置的顶部有两个麦克风，相当于它的耳朵，我们用它来模仿蟋蟀的行为。”
麦克风接收的声音也像声音进入真蟋蟀耳朵时那样出现时间延迟，这使自动装置可以判断声源的方位。在韦布的实验中，机器蟋蟀能很容易地找到正确的路径，走向正在用歌声吸引它的雄蟋蟀。这令很多生物学家感到惊奇。这个装置表明，这种看似复杂的行为只需要4个神经元就足够了。
这样利用机器动物的一个主要优点是，和电脑模拟不同，机器动物必须在和真动物所处环境完全相同的条件下工作。
设菲尔德大学适应行为研究小组的托尼·普雷斯科特正在设法根据史前动物的觅食痕迹制造机器动物，以重现进化过程。他说：“大脑和行为都不太容易形成化石，因此研究史前动物觅食行为的唯一方法就是制造一种自动装置。”通过对机器动物的行为进行比较，科学家们有可能重现觅食行为由简单到复杂的进化过程。
普雷斯科特对仿生自动装置的研究进一步深入，他制造了一个装置来考察大脑中一个名为基底神经节的部分。包括人类在内的所有高级哺乳动物的大脑中都有基底神经节，正是这个部分控制各种自主活动，并且被认为是导致帕金森病、亨廷顿氏舞蹈病等疾病的病变部位。
普雷斯科特说：“我们设计了一个具有类似基底神经节电路的机器动物，随后改变电路使其发生故障。可以看到，经过这种改造的装置和帕金森病患者相似，难以进行协调动作。我们所做的是用机器动物检验‘我们认为基底神经节有这种作用’的理论。这有望促进人们对帕金森病的了解。”
机器动物对行为研究有重要贡献，但用它们取代所有实验中的真动物尚需时日。普雷斯科特说：“机器动物确实完成了某些动物实验，但有时候你必须再用真的动物验证你的理论。”如果不是以动物作为参照，科学家们制造的机器动物可能完成同样的动作，但实现的途径却完全不同。
尽管如此，研究人员仍然乐观地认为，仿生自动装置的前景令人鼓舞。芭芭拉·韦布博士说：“机器动物还不能完全代替真的动物，但我确实认为将来它会大有用武之地。随着技术的不断改善，我们将能够制造更多这种复杂系统。”