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(jīng)仿生學研究，已經(jīng)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(nèi)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(chǎn)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(shè)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(cè)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(nèi),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(chǎn)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(nèi)，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(yīng)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(nèi)能夠穩(wěn)定產(chǎn)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(jié)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(chǎn)生電信號以及受光照影響的規(guī)律后，研究人員用其利產(chǎn)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(shè)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(chǎn)生的電信號經(jīng)過閾值檢測等處理，轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yīng)。
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(wǎng)友在仔細讀了論文后表示了質(zhì)疑。
研究者只是構(gòu)建了一套真菌的電活動與機器人運動之間的對應(yīng)規(guī)則，而不是真菌（產(chǎn)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(guān)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
