蘑菇控制机器人？！这听起来像是科幻电影中的情节，但这实际上是实际科学研究的结果。康奈尔大学的一个团队开发了一种由森林地面常见的蘑菇启发的创新机器人。这种“生物混合机器人”由真菌菌丝体发出的电信号控制。这实在是一个结合了自然智慧和尖端技术的非凡发明。
By Cornell University
为什么使用蘑菇菌丝体？
传统上，机器人开发经常从动物王国中汲取灵感。有很多模仿动物运动、环境识别能力和温度调节功能的机器人。然而，当涉及到机器人结合活细胞或组织时，维持这些生物系统的健康和功能状态一直是一个挑战。
这就是蘑菇菌丝体的用武之地。菌丝体是形成蘑菇身体的线状细胞网络，通常在地下蔓延。菌丝体有几个优势：
- 它可以在恶劣环境中生长
- 它具有感知化学和生物信号的能力
- 它可以响应多个输入
研究团队的负责人Rob Shepherd教授解释说：“通过将菌丝体整合到机器人的电子设备中，我们使生物混合机器能够感知和响应其环境。”这里，“生物混合机器”指的是将生物元素（在这种情况下是菌丝体）与机械部件结合的机器人。
研究详情
这项研究详述于题为”由真菌菌丝体电生理测量介导的机器人感觉运动控制“的论文中，发表在”科学机器人“上。首席作者Anand Mishra表示，“这篇论文是利用真菌王国为机器提供环境感知和命令信号的一系列研究的第一步，旨在提高机器人的自主性。”
这里所说的“环境感知”指的是机器人检测其周围环境的能力。“自主性”则意味着机器人能够在没有直接外部控制的情况下自主做出决策并行动。
研究团队汇集了来自多个领域的专业知识，以应对蘑菇与电子设备结合的复杂挑战。需要机械工程、电子学、真菌学、神经生物学和信号处理方面的知识。
系统的工作原理
研究团队开发的系统由以下元素组成：
- 电接口：这能阻挡振动和电磁干扰，实时准确地记录和处理菌丝体的电生理活动。“电生理活动”是指生物细胞发出的微弱电信号。具体来说，它测量了由于离子流通过菌丝细胞膜而导致的电势变化。当菌丝体探测到外部环境变化（光、温度、化学物质等）时，这些电信号会发生波动，形成环境感知的基础。
- 控制器：灵感来自中央模式发生器（CPGs）。CPGs是生物系统中的神经回路，用于生成有节奏的运动。例如，人类的行走和呼吸节奏由CPGs控制。
在这个机器人系统中，CPG的概念被应用于将从菌丝体获取的电信号转换为节律运动模式。具体而言，它分析菌丝体电信号的周期性和强度，并利用此生成机器人的运动模式（行走节奏、方向变化等）。这允许机器人在响应外部环境变化时，对运动进行自然而高效的控制。
系统读取来自菌丝体的原始电信号，加以处理并识别出有节奏的尖峰（电位的突变）。然后将这些信息转换为数字控制信号，并发送到机器人的执行器（产生运动的装置）。这形成了一个独特的控制系统，其中菌丝体的“感觉”直接反映在机器人的“动作”上。
实验结果
研究小组创建了两种类型的生物混合机器人：
- 软体蜘蛛形机器人
- 轮式机器人
使用这些机器人进行了三项实验：
- 实验观察机器人对菌丝体信号自然连续尖峰的反应（行走或移动）
- 观察机器人在紫外线照射刺激下的反应（机器人改变了行走模式）
- 实验完全覆盖菌丝体的原生信号
这些实验表明，利用菌丝体的生物混合机器人可以对环境做出反应并被控制。换句话说，蘑菇菌丝体充当机器人的“头脑”，使其能够根据环境刺激改变自己的运动方式。
研究意义和未来前景
这项研究不仅在机器人学和真菌学领域具有广泛影响力。Mishra解释说，“这个项目不仅仅是关于控制一个机器人。还在于创造一个与生命系统的真正联系。”
Shepherd教授提到潜在的农业应用：“未来的机器人也许能够感知作物行间土壤化学，并决定何时添加更多肥料。这可能有助于减轻农业的下游影响，如有害藻类繁殖。”
例如，如果这些“蘑菇机器人”可以巡逻田地，实时监控土壤状况，就可能避免过度使用杀虫剂和化肥，推动更加环保的农业。
此外，这项技术的应用超越了农业。例如：
- 环境监测：利用菌丝体的高度灵敏感知能力，可以开发用于检测空气和水污染的机器人。
- 灾难救援：利用其在恶劣环境中工作的能力，这些机器人可以应用于地震或火灾灾害现场的救援操作。
- 医疗领域：感知微小环境变化的能力可能促进体内运行的微型机器人开发。
- 太空探测：其在极端环境中生存的能力可以应用于探索其他行星的机器人。
这样的技术创新不仅创造了新型机器人，也可能带来我们与社会和环境互动方式的重大改变。例如，更精确的环境监测可以帮助应对气候变化并保护生态系统。在医疗领域的应用可能导致更不具侵入性、更有效的治疗方法的发展。
研究团队与合作结构
这项创新研究得以实现，是由于各领域专家的合作：
- Bruce Johnson：神经生物学与行为高级研究员。他提供了如何记录通过菌丝体膜中神经元通道传递的电信号的指导。
- Kathie Hodge：植物病理学与植物微生物生物学副教授。她指导如何培养干净的菌丝体培养物。保持菌丝体的纯净对获得准确的电信号至关重要。
- Jaeseok Kim：意大利佛罗伦萨大学。
- Hannah Baghdadi：本科研究助手。
这些专家的合作实现了真正的跨学科研究，融合了机械工程、电子学、真菌学、神经生物学和信号处理各领域。
结论
利用蘑菇菌丝体开发生物混合机器人是生物学与工程学融合的创新成果。这项研究不仅为开发更适应环境的机器人开辟了新途径，还展示了生物系统与机器之间建立真正联系的可能性。
随着这一技术的不断发展，预计在农业、环境监测、灾难救援、医学和太空探测等各个领域都会有应用。这可能通过利用自然的智慧来带来更高效、更环保的技术发展。
蘑菇世界与尖端机器人技术的融合暗示了一种自然与科技的新关系。这项研究强调了未来机器人开发中生物学方法的重要性，清楚地展示了跨学科合作如何带来创新成果。
也许我们熟悉的“蘑菇”有一天会成为创造尖端技术的关键。我们需要继续关注结合自然智慧与人工智能的未来技术创新。这一技术可能带来的社会变革——从环境保护到医学进步，再到太空探测的新发展——有可能极大地影响我们的生活和地球的未来。对生物混合机器人的研究真正代表了21世纪科学的新形式，旨在实现自然与技术的共存。
