撰文 | 黄雨佳
审校 | 冬鸢
随着技术发展，许多机器人已经能做出非常丝滑的动作，可以帮人类完成家务和一些特殊任务。然而，无论机器人设计得多么精妙，它都无法与生命体媲美。因为机器人由一系列传感器、执行器和发出指令的神经网络组装而成，而它们的传感器往往只能检测单一的信号，例如压力、光、热等。
相较而言，生物体不仅能同时对各类信号作出响应，其感受器的密度也极高。例如，哪怕仅仅是一个手指头，上面也存在超过3000个机械感受器，这些感受器与成千上万个神经和神经元通路相连，而这些神经元通路之间又彼此连接，使手指感受的信号得以快速传递至大脑。如果要将如此复杂的元件自下而上地组装成一个机器人成品，所需的工艺已经远远超出了人类目前的技术水平。
有没有可能让生命体和机器人融为一体呢？一些科学家提出了生物混合机器人（biohybrid robot）的设想：使细胞按需形成有用的形式，或是用细胞自然形成的特定组织来操控机器人。
在一篇最近发表于《科学·机器人》（Science Robotics）的论文中，来自美国康奈尔大学（Cornell University）的研究人员在生物混合机器人领域又迈出了重要的一步：他们使用杏鲍菇（Pleurotus eryngii）的菌丝体，成功控制了多种不同形态的机器人的运动。
使用杏鲍菇菌丝体控制的机器人之一（图片来源：原论文）
“杏鲍菇机器人”
当我们提到生物混合机器人时，或许你脑中并不会浮现出杏鲍菇的身影。因为这些真菌给人留下的第一印象除了好吃之外，可能只剩下“呆”这个字了，它似乎与能执行各种任务的机器人相距甚远。然而，在生物混合机器人领域，与动物细胞相比，真菌实际上拥有许多无可比拟的优势。
首先，真菌不需要在无菌的环境下生长，而且“好养”，只需提供基本的营养物质即可大量繁殖。相较而言，“娇气”的动物细胞不仅需要研究人员每天更换新鲜的培养基，甚至还需要研究人员在培养基中添加抗生素才能正常生长。此外，真菌在自然界中的分布也十分广泛，在高盐、高酸、极地甚至辐射环境下都能存活，这为它们广泛的应用场景打下了基础。
最后，真菌还能非常灵敏地响应各种环境因素。例如，光线能调节真菌的昼夜节律。在深深的土壤之中，菌丝体会形成巨大的网络，响应环境变化。与我们神经元接收信号后会产生动作电位一样，菌丝体的细胞也能通过离子的跨膜转运产生类似的电信号，甚至也会有类似的去极化和复极化过程。
于是，杏鲍菇这样一种长得快又无毒的可爱真菌映入了康奈尔大学罗伯特·F.谢泼德（Robert F. Shepherd）教授的眼帘。如果能记录下杏鲍菇响应环境因素的电信号，再将这些信号作为机器人做出相应动作的指令，不就相当于在用杏鲍菇控制机器人了吗？四舍五入的话，这简直就是杏鲍菇在开高达机器人啊！
然而，要实现真菌控制机器人并不简单。这是一个结合了机械工程、电子学、真菌学、神经生物学和信号处理等多个领域的系统性工程。研究团队首先需要解决的问题是，如何能屏蔽机器人运作过程中的振动和电磁干扰，从而稳定且长时间地记录菌丝体所产生的生物电信号。他们采用的方式是培养杏鲍菇的菌丝体，让菌丝体生长并包裹住电极，与电极之间形成稳定的连接，再将这个能实时记录电信号的菌丝体模块用作机器人支架的一部分。
研究团队还需要让记录到的生物电信号指导机器人的运动。因此，他们从动物神经系统的中枢模式发生器（CPG）中汲取了灵感，设计了一种特殊的控制架构。CPG是一种神经元回路，它无需节律性的感觉输入或中枢的反馈输入，即可内源性地产生节律性的输出，形成节律性的运动模式（例如七鳃鳗的许多游泳行为）。研究人员设计了一种算法，将菌丝体的电信号转换为类似于CPG的数字控制信号，发送至机器人的执行器——阀门或电机，进而控制机器人的运动。
基于这些工作，研究人员设计了两种供杏鲍菇菌丝体“操纵”的生物混合机器人。一种长得像海星一样，用五条腿行走；另一种是一辆小车，通过四个车轮向前运动。研究人员将菌丝体模块用作机器人的“头部”，“杏鲍菇大脑”发出的信号能分别控制机器人体内的阀门和电机，从而驱动“海星”和小车向前。
尽管“杏鲍菇大脑”在自然状态下产生的电信号即能让机器人向前运动，但研究团队还是希望这些生物混合机器人能响应外界环境，在特定条件下运动。于是，他们选择用光线作为进一步激活杏鲍菇菌丝体的信号。谢泼德说：“蘑菇不喜欢光照，它们生长在黑暗的地方，因此光照能让它们产生强烈的信号。”
研究人员发现，在紫外线、蓝光、红光和白光四种光线中，杏鲍菇菌丝体对紫外线最为敏感。因此，他们用紫外线照射菌丝体，驱动机器人向前。根据论文中公布的视频，只需用紫外线短暂地照射菌丝体模块，其产生的强烈电信号就会发出指令，让“海星”和小车机器人更快地蹭蹭向前跑去。
紫外线照射后，用杏鲍菇菌丝体控制的“海星”机器人迅速向前跑去（视频来源：原论文）
更多应用
在这项研究中，谢泼德团队只测试了杏鲍菇菌丝体感知光线并做出反应的能力。但研究人员表示，真菌对环境极其敏感，因此这类机器人未来也可能用于感应环境中的化学物质、病原体甚至辐射。例如，它们或许可以用于感知农田土壤中的化学成分，驱动机器人只在适当的时机施肥，以减轻肥料对环境的影响。
不过，谢泼德同时表示，相比于响应光照，让“真菌机器人”响应化学物质难度更大。因为他们需要建立特定化合物浓度与真菌电活动之间的关联，这可能需要他们首先建立一个有大量相关记录和注释的大型数据库，再通过训练人工智能来实现。
除了灵敏性的优势外，相比于含有重金属的电子设备，生物混合机器人也更为环保。而且，对于在偏远地区工作的科学家而言，他们甚至可以就地取材地制造机器人，或是携带少量菌丝体后到当地再大量培育。这将给他们带来极大的方便。
但“杏鲍菇机器人”也存在一些缺点。研究人员发现，随着时间推移，菌丝体发出的信号会出现变化。他们检测到的电信号变得越来越微弱，而分辨率的限制导致他们难以在高采样率的情况下捕捉到这些微弱的信号。此外，杏鲍菇的菌丝体也不是永生的，它同样有寿命的限制。如果想要延长这类机器人的使用时限，恐怕他们还需要开发信号放大的新系统，以及重新向菌丝体模块中注入孢子和营养物质，使其重新生长。
紫外线照射后，用杏鲍菇菌丝体控制的小车机器人迅速向前跑去（视频来源：原论文）
其实，早在这项工作之前，科学家早已做过许多生物混合机器人的尝试。例如，科学家曾将肌肉组织用于生物混合机器人，通过电信号或化学信号触发肌肉组织收缩，使这种机器人能做出游泳、行走等动作。还有一些生物混合机器人甚至能通过排汗来调节内部的温度。
在普通人眼中，这些科学家不过是换了种方法控制机器人罢了，但对他们而言绝非如此。他们将环境信号、机器人与生命系统联系了起来，将许多看不见摸不着的信号转变成了真实发生在机器人身上的物理动作。
或许在不久的将来，你也会看见一个由杏鲍菇“驾驶”的机器人向你缓缓走来呢。
参考链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk8019
https://news.cornell.edu/stories/2024/08/biohybrid-robots-controlled-electrical-impulses-mushrooms
https://en.wikipedia.org/wiki/Central_pattern_generator
https://www.nationalgeographic.com/science/article/fungi-oyster-mushroom-robot-technology
https://arstechnica.com/science/2024/09/robot-placed-under-the-control-of-a-fungal-overlord/
本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
