有昆蟲巧思的生化機器人

知識新知 02/16/2007

要把機器人設計成像昆蟲一樣思考是很困難的挑戰,但是解決這個挑戰之後,不但機器人可以像蒼蠅一樣靈敏,科學家也可以藉機器人更了解昆蟲的運動。

「泰瑞二號」 (Tarry II) 看起來像機器人,發出的聲音也像機器人,走起路來卻像昆蟲。它會伸出纜線觸角,六隻腳的機械關節則會在走路時發出金屬的嘎嘎響聲。但是它卻能夠以蒼蠅大步邁向腐爛水果的穩健步伐,堅定地跨越實驗室的地板。

這具昂首闊步的機器,乃是德國符茲堡大學的史特勞斯 (Roland Strauss) 及其同事的傑作。史特勞斯在中學時就對機械很有興趣,設計了一套可模仿螃蟹視覺系統的電路,贏得全國大獎;不過他真正熱愛的始終是生物學,今日的研究目標也是想瞭解昆蟲如何控制其運動行為,才做出「泰瑞二號」跟其他生化機器人。

縱然我們經常覺得「無頭蒼蠅」意味牠們胡亂漫遊,惹人討厭,但這些小生物決定要飛去哪裡,其實就跟其他動物一樣,並非漫無目的。蒼蠅用眼睛跟觸角掃瞄周遭環境,在腦中處理這些資訊,然後做出決定,以避開潛在的危險,或朝食物直奔而去。史特勞斯想要理出蒼蠅腦中乾坤,認為其結果可能也可以應用在其他動物,甚至包括我們人類身上。

史特勞斯等人向機器人專家求助,設計出可以對外界刺激做出反應的簡單機器人,以測試他們對於昆蟲據以導航之神經網路所做的假設;他們為這些生化機器人所撰寫的運算法則,未來則可能有助於設計出更靈活的機器人,毋須人類指引也能自己活動。比方說,如果火星探測車能夠更像蟑螂一點的話,它們就得以自己避免陷入沙丘或撞上石頭,不用人類操控者小心翼翼地控制它們脫離危險。(請見連結影片)

昆蟲的運動迴路有很大一部份不是經過大腦指引,而是由從頭部延伸到胸腔,相當於脊椎動物之脊椎的神經迴路控制。把一隻蒼蠅斷頭,它的大腦就無法再提供「走!」的訊號,這隻蒼蠅就會停止移動;但倘若你直接把章魚胺 (octopamine) 之類的神經訊號發送器接在胸腔神經上,這隻無頭蒼蠅就會開始像,呃,像隻無頭雞一樣四處漫遊。你還可以讓蒼蠅做出許多類似這種像是食屍鬼的恐怖行為,而這些基本動作的「程式」都已經參透甚詳,移植到機器人身上了。

執行決策

但是昆蟲要做出比較聰明的決定,比方說什麼時候該走,速度多快,往哪個方向,就需要個大腦。機器人也是,但眼下的演算法還不足以提供這麼精巧的自動決策功能。

昆蟲的大腦跟其他動物一樣,各種特定行為都有個別的解剖區域負責處理,因此生物學家可以藉由破壞某一大腦區域,觀察接下來發生什麼事,逐一揭開各區負責什麼運動之謎。史特勞斯喜歡研究果蠅 (Drosophila melanogaster) ,因為目前已經有很好用的遺傳工具,可以選擇特定的果蠅大腦區域予以破壞,比方說可以讓果蠅的基因組產生隨機突變,然後過濾出行為異常的果蠅。

利用這些方法,史特勞斯已經累積幾百組會造成運動異常的突變種。它們大部分都是破壞一個夾在昆蟲大腦左右兩個半球中間,稱為「中央複合區」 (central complex) 的區域;此區域受損的昆蟲,不是走得比較慢,就是會以螺旋狀方式走向目標,而不是走直線。史特勞斯在過去十年裡,已經將中央複合區的哪些區域會影響哪些運動整理出來,現在則開始試著將這些功能寫成運算法,看看能否移植到「泰瑞二號」,或比較新型的 Dro-o-boT 機器人上面。

這些機器人已經證實,史特勞斯對蒼蠅的「視差取距」假設是正確的。「視差取距」類似火車乘客觀景的經驗,他們會看到近物一閃而過,遠物看起來卻移動得很慢。這項能力對蒼蠅極為重要,牠們據此前往安全之處或食物來源,並且確保牠們總是往最接近的目標前進,以節省氣力。

為了監看蒼蠅看到目標時如何運動,史特勞斯建造了一個虛擬實境,看起來像是蒼蠅的夜總會。布景由一個有玻璃地板的小型圓柱組成,牆壁上則貼滿了會發光的二極體,可以製造出幾何形狀的光影變化;蒼蠅放在地板中央,其移動情況從上方拍攝下來,每一步落腳之處則由地板紀錄。受測的蒼蠅翅膀被剪掉,所以不能飛行;四週還有細小的灌水壕溝,把他們侷限在中央區域。

結果這些蒼蠅會往那些沒發光的二極體陰影移動,就好像它們是真實的物體一樣。為了測試視差假設是否正確,史特勞斯讓這個虛擬實境環境根據蒼蠅的運動,自動移動這些陰影;蒼蠅果然一如預期,利用視差確認最近的「物體」,朝向它們移動。

視差眼界

史特勞斯接著想要測試昆蟲是否只利用視差來決定距離,還是牠們也能辨識出那些東西實際上是什麼。他將 Dro-o-boT 放在一個放大版的虛擬實境中,給它的眼睛配上三百六十度的攝影機,可以整合「物體」的大小視覺資訊,然後往看起來最接近的前進。結果 Dro-o-boT 的移動路徑,跟處在相同情境中的蒼蠅完全一樣,證明單靠視差確實就足以引導這種類型的運動方式。 【本文未完,更多精彩內容請見本刊紙本】

【知識通訊評論半月刊五十四期】2007.02.16

« 無法拼湊的未來∣回首頁∣動物研究的灰色地帶 »