克雷西 發(fā)自 凹非寺
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What……控制機(jī)器人的工具，竟然可以是蘑菇？
有視頻為證，這個(gè)長(zhǎng)得像海星，在桌面上走來(lái)走去的機(jī)器人，里面就裝上了一顆“蘑菇大腦”。
這是一項(xiàng)來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)和意大利佛羅倫薩大學(xué)的正經(jīng)仿生學(xué)研究，已經(jīng)登上了Science子刊。
他們建立了生物和機(jī)器人之間的一種“通信接口”，用蘑菇體內(nèi)的電脈沖作為控制機(jī)器人的信號(hào)。
下面就來(lái)詳細(xì)了解~
捕捉電信號(hào)，控制機(jī)器人為了能用真菌產(chǎn)生的生物信號(hào)作為機(jī)器人的控制信號(hào)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種菌絲體電接口，可以進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的生物電捕捉和記錄。
用于捕捉信號(hào)的電極，和菌絲體培養(yǎng)皿一同被置于專門(mén)設(shè)計(jì)的3D打印支架上。
實(shí)驗(yàn)中，研究人員選用的真菌名叫刺芹側(cè)耳（學(xué)名Pleurotus eryngii），當(dāng)然它還有一個(gè)我們更熟悉的名字叫做杏鮑菇。
作者將菌種接種于馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA）培養(yǎng)基上，放入支架固定的培養(yǎng)皿內(nèi),在25°C下培養(yǎng)。
培養(yǎng)皿分（直徑）60mm和150mm兩種尺寸，分別培養(yǎng)約3周和5周，直到菌絲體完全長(zhǎng)滿培養(yǎng)皿。
在培養(yǎng)過(guò)程中和培養(yǎng)完成后，作者對(duì)菌絲產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行了持續(xù)記錄。
記錄之前，研究者將不銹鋼針電極插入支架的電極固定槽，兩個(gè)記錄電極平行放置，間距10mm，距培養(yǎng)基表面10-11mm；參考電極與記錄電極垂直，距表面1mm。
為了屏蔽外界電磁干擾，研究人員將裝有菌絲體和電極的支架置于自制的法拉第籠內(nèi)，以10S/s的采樣率記錄電信號(hào)，持續(xù)30余天。
對(duì)采集到的原始電信號(hào)數(shù)據(jù)，研究者用Python進(jìn)行了分析處理
首先，作者將幅值小于5μV的信號(hào)作為噪聲剔除，然后進(jìn)行了平滑去噪和三階多項(xiàng)式擬合。
之后使用SciPy庫(kù)中的相應(yīng)函數(shù)檢測(cè)電位尖峰并尖峰半高寬（即持續(xù)時(shí)間），最后對(duì)提取出的尖峰按幅值、寬度等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制直方圖等圖表。
分析發(fā)現(xiàn)，菌絲體在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)能夠穩(wěn)定產(chǎn)生自發(fā)的電位尖峰，平均幅值約135μV，最大幅值1868μV，平均頻率約0.12次/秒。
為了研究光照對(duì)菌絲體電活動(dòng)的影響，研究者使用汞燈系統(tǒng)，通過(guò)光纖和準(zhǔn)直器將紫外光垂直照射在菌絲體上表面，光斑直徑約1cm。
作者測(cè)試了不同光強(qiáng)度（0.1-1W/cm）、照射距離（12-20cm）和照射時(shí)間（2-12秒）的組合。
結(jié)果表明，紫外光照可誘發(fā)幅值高達(dá)18000μV、持續(xù)時(shí)間約4秒的電位尖峰，藍(lán)光也有類似效果但幅值較低，紅光和白光則未觀察到明顯效果。
在了解了真菌產(chǎn)生電信號(hào)以及受光照影響的規(guī)律后，研究人員用其利產(chǎn)生的節(jié)律性正負(fù)電位尖峰信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的控制。
具體來(lái)說(shuō)，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)柔性多足步行機(jī)器人（也就是開(kāi)頭看到的“海星”），將菌絲體產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)閾值檢測(cè)等處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制信號(hào)，通過(guò)Arduino單片機(jī)輸出PWM波控制氣動(dòng)閥和直流電機(jī)。
實(shí)驗(yàn)表明，菌絲體可以穩(wěn)定控制機(jī)器人持續(xù)運(yùn)動(dòng)數(shù)十分鐘。
當(dāng)用紫外光刺激菌絲體時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也隨之發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。
蘑菇并未產(chǎn)生意識(shí)，但“生物傳感器”值得研究對(duì)于這項(xiàng)研究的意義，康奈爾大學(xué)機(jī)械與航空航天工程教授Rob Shepherd表示：
通過(guò)將菌絲體培養(yǎng)到機(jī)器人的電子器件中，我們能夠讓生物混合機(jī)器感知環(huán)境并做出響應(yīng)。未來(lái)機(jī)器人的潛力可能是感知中耕作物的土壤化學(xué)成分，并決定何時(shí)添加更多肥料。
英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》更是將其描繪為蘑菇“學(xué)會(huì)了爬行”。
不過(guò)對(duì)這一說(shuō)法，有網(wǎng)友在仔細(xì)讀了論文后表示了質(zhì)疑。
研究者只是構(gòu)建了一套真菌的電活動(dòng)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的對(duì)應(yīng)規(guī)則，而不是真菌（產(chǎn)生了意識(shí)）控制了機(jī)器人。
蘑菇“學(xué)會(huì)了爬行”這個(gè)說(shuō)法也不準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼈儾](méi)有真正意義上“學(xué)”到任何東西。
但如果像Rob Shepherd教授所說(shuō)，能夠建立起環(huán)境-生物-機(jī)器之間的控制鏈條，那么作為“傳感器”的生物有沒(méi)有意識(shí)，也就不是關(guān)鍵問(wèn)題。
還有人腦洞大開(kāi)，表示蘑菇在這里仿佛發(fā)揮的是一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器的作用，甚至有人好奇是不是真的能當(dāng)隨機(jī)數(shù)生成器來(lái)用……
論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk8019參考鏈接：[1]https://www.independent.co.uk/tech/robot-mushroom-biohybrid-robotics-cornell-b2606970.html[2]https://news.ycombinator.com/item?id=41451668
