用杏鮑菇控制機器人運動！康奈爾等新研究登Science子刊
研發(fā)出菌絲體電接口
克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
What……控制機器人的工具，竟然可以是蘑菇？
有視頻為證，這個長得像海星，在桌面上走來走去的機器人，里面就裝上了一顆“蘑菇大腦”。
這是一項來自美國康奈爾大學和意大利佛羅倫薩大學的正經仿生學研究，已經登上了Science子刊。
他們建立了生物和機器人之間的一種“通信接口”，用蘑菇體內的電脈沖作為控制機器人的信號。
下面就來詳細了解~
捕捉電信號，控制機器人
為了能用真菌產生的生物信號作為機器人的控制信號，研究人員開發(fā)了一種菌絲體電接口，可以進行長期穩(wěn)定的生物電捕捉和記錄。
用于捕捉信號的電極，和菌絲體培養(yǎng)皿一同被置于專門設計的3D打印支架上。
實驗中，研究人員選用的真菌名叫刺芹側耳（學名Pleurotus eryngii），當然它還有一個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,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，直到菌絲體完全長滿培養(yǎng)皿。
在培養(yǎng)過程中和培養(yǎng)完成后，作者對菌絲產生的電信號進行了持續(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，以10S/s的采樣率記錄電信號，持續(xù)30余天。
對采集到的原始電信號數(shù)據(jù)，研究者用Python進行了分析處理——
首先，作者將幅值小于5μV的信號作為噪聲剔除，然后進行了平滑去噪和三階多項式擬合。
之后使用SciPy庫中的相應函數(shù)檢測電位尖峰并尖峰半高寬（即持續(xù)時間），最后對提取出的尖峰按幅值、寬度等參數(shù)進行統(tǒng)計分析，繪制直方圖等圖表。
分析發(fā)現(xiàn)，菌絲體在整個培養(yǎng)期內能夠穩(wěn)定產生自發(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。
為了研究光照對菌絲體電活動的影響，研究者使用汞燈系統(tǒng)，通過光纖和準直器將紫外光垂直照射在菌絲體上表面，光斑直徑約1cm。
作者測試了不同光強度（0.1-1W/cm2）、照射距離（12-20cm）和照射時間（2-12秒）的組合。
結果表明，紫外光照可誘發(fā)幅值高達18000μV、持續(xù)時間約4秒的電位尖峰，藍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。
在了解了真菌產生電信號以及受光照影響的規(guī)律后，研究人員用其利產生的節(jié)律性正負電位尖峰信號，實現(xiàn)了機器人的控制。
具體來說，他們設計了一個柔性多足步行機器人（也就是開頭看到的“海星”），將菌絲體產生的電信號經過閾值檢測等處理，轉化為數(shù)字控制信號，通過Arduino單片機輸出PWM波控制氣動閥和直流電機。
實驗表明，菌絲體可以穩(wěn)定控制機器人持續(xù)運動數(shù)十分鐘。
當用紫外光刺激菌絲體時，機器人的運動狀態(tài)也隨之發(fā)生改變，實現(xiàn)了機器人的實時控制。
蘑菇并未產生意識，但“生物傳感器”值得研究
對于這項研究的意義，康奈爾大學機械與航空航天工程教授Rob Shepherd表示：
通過將菌絲體培養(yǎng)到機器人的電子器件中，我們能夠讓生物混合機器感知環(huán)境并做出響應。
未來機器人的潛力可能是感知中耕作物的土壤化學成分，并決定何時添加更多肥料。
英國《獨立報》更是將其描繪為蘑菇“學會了爬行”。
不過對這一說法，有網友在仔細讀了論文后表示了質疑。
研究者只是構建了一套真菌的電活動與機器人運動之間的對應規(guī)則，而不是真菌（產生了意識）控制了機器人。
蘑菇“學會了爬行”這個說法也不準確，因為它們并沒有真正意義上“學”到任何東西。
但如果像Rob Shepherd教授所說，能夠建立起環(huán)境-生物-機器之間的控制鏈條，那么作為“傳感器”的生物有沒有意識，也就不是關鍵問題。
還有人腦洞大開，表示蘑菇在這里仿佛發(fā)揮的是一個隨機數(shù)生成器的作用，甚至有人好奇是不是真的能當隨機數(shù)生成器來用……
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
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