由蘑菇中的电脉冲控制的生物混合机器人

Josiah02

制造一个机器人需要时间、技术、合适的材料——有时还需要一些真菌。
在制造一对新型机器人时，康奈尔大学的研究人员培育出了一种不太可能的组件，它不是在实验室中发现的，而是在森林地面上发现的：真菌菌丝。通过利用菌丝的固有电信号，研究人员发现了一种控制“生物混合”机器人的新方法，这种机器人对环境的反应可能比纯合成机器人更好。
研究团队的论文《通过真菌菌丝的电生理测量来控制机器人的感觉运动》发表在《科学机器人》杂志上。第一作者是康奈尔大学工程学院机械与航空航天工程教授 Rob Shepherd 领导的有机机器人实验室的研究员 Anand Mishra，他也是该论文的资深作者。
“这篇论文是众多论文中的第一篇，它将利用真菌王国为机器人提供环境感知和命令信号，以提高它们的自主性，”谢泼德说。“通过将菌丝体培养成机器人的电子设备，我们能够让生物混合机器感知和响应环境。在这种情况下，我们使用光作为输入，但未来它将是化学物质。未来机器人的潜力可能是感知行栽作物的土壤化学成分，并决定何时添加更多肥料，例如，也许可以减轻农业下游影响，如有害藻华。”
在设计未来的机器人时，工程师们从动物界汲取了许多灵感，设计出的机器人可以模仿生物的运动方式，感知周围环境，甚至通过排汗来调节体内温度。一些机器人加入了活体材料，例如肌肉组织中的细胞，但这些复杂的生物系统很难保持健康和功能正常。毕竟，让机器人保持活力并不总是那么容易。
菌丝体是蘑菇的地下营养部分，具有许多优点。它们可以在恶劣的条件下生长。它们还能够感知化学和生物信号并对多种输入做出反应。
“如果你考虑一个合成系统——比如说任何被动传感器——我们只将它用于一个目的。但生命系统会对触摸、光线、热量甚至一些未知因素做出反应，比如信号，”米什拉说。“这就是为什么我们会想，好吧，如果你想制造未来的机器人，它们如何在意想不到的环境中工作？我们可以利用这些生命系统，任何未知的输入都会对它做出反应。”
然而，找到一种将蘑菇和机器人结合起来的方法需要的不仅仅是技术知识和园艺技能。
米什拉说： “你必须具备机械工程、电子学、真菌学、神经生物学和信号处理方面的背景知识。所有这些领域结合在一起，才能构建出这种系统。”
米什拉与多位跨学科研究人员合作。他咨询了神经生物学和行为学高级研究员布鲁斯·约翰逊，并学习如何记录菌丝膜中类似神经元的离子通道所携带的电信号。农业与生命科学学院综合植物科学学院植物病理学和植物微生物生物学副教授凯西·霍奇教米什拉如何培养干净的菌丝培养物，因为当你将电极插入真菌时，污染是一个相当大的挑战。
米什拉开发的系统包括一个电子接口，它可以阻挡振动和电磁干扰，并实时准确地记录和处理菌丝的电生理活动，以及一个受中枢模式发生器（一种神经回路）启发的控制器。本质上，该系统读取原始电信号，对其进行处理并识别菌丝的节律性尖峰，然后将该信息转换为数字控制信号，该信号被发送到机器人的执行器。
他们建造了两种生物混合机器人：一个是蜘蛛形状的软机器人，另一个是轮式机器人。
机器人完成了三项实验。在第一个实验中，机器人分别行走和滚动，以响应菌丝信号中自然连续的尖峰。然后，研究人员用紫外线刺激机器人，导致它们改变步态，展示菌丝对环境作出反应的能力。在第三个场景中，研究人员能够完全覆盖菌丝的原生信号。
其影响远远超出了机器人和真菌领域。
“这类项目不仅仅是控制机器人，”米什拉说。“它还与生命系统建立真正的联系。因为一旦你听到信号，你也会明白发生了什么。也许那个信号来自某种压力。所以你看到了物理反应，因为那些信号我们无法想象，但机器人正在将其可视化。”
合著者包括约翰逊、霍奇、意大利佛罗伦萨大学的 Jaeseok Kim 和本科研究助理 Hannah Baghdadi。
更多信息： Anand Kumar Mishra 等人，通过真菌菌丝体的电生理测量介导机器人的感觉运动控制，Science Robotics (2024)。DOI ：10.1126/scirobotics.adk8019
期刊信息： 科学机器人