遙控蟑螂科普知識
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在人們的印象中，蟑螂往往與骯髒環境和疾病傳播聯絡在一起，令人厭惡。但事情也並不總是如此，近十年有關研究逐漸揭示了蟑螂在災害搜救等領域的前景。最近，一個國際團隊完成了一項蟑螂-計算機混合系統研發，終於把蟑螂全面武裝成了災後現場穩定可靠的搜救專家。
一、天選“負重者”
非洲馬達加斯加島上的腐爛原木內，生活著二十多種大型蟑螂，馬達加斯加發聲蟑螂是其中最廣為人知的一種。成蟲體長可達7.5釐米，壽命可達五年。發聲蟑螂使用氣孔強力排出空氣時，會發出響亮的“嘶嘶”聲，它不但因此得名，還成了昆蟲愛好者們追捧的寵物，並配以愛稱“嘶嘶兒”（hisser）。
得益於體型健碩卻沒有翅膀，它們“力能扛鼎”，能夠在負載近十克重物的狀況下保持靈活行動，因此也揹負了昆蟲-計算機混合系統研發的希望。5月23日發表在arXiv的一項研究利用集成了眾多元件的微型“電子揹包”，將嘶嘶兒武裝成了災後現場的搜救專家。
二、遙控蟑螂
馬達加斯加發聲蟑螂被研發者們盯上並不是新鮮事。研究昆蟲神經科學的學者們很早就已開始瞭解它們觸角和背部的神經系統，近十年前就開始對它們動起了真刀。2012年，美國北卡羅來納州立大學的研究者就已經能夠通過向這種蟑螂的觸鬚施加電刺激控制其行進方向了。這一過程被研究者比作了騎馬：包含了微控制器、訊號接收器、脈衝電極和電池的電子揹包就如同騎手，與蟑螂觸鬚相連的`電極則是韁繩。唯一與騎馬相反的是，通過一側“韁繩”傳遞的電脈衝訊號會使蟑螂認為該側存在障礙物，從而轉向另一方向。
這些研究開創性地實現了對蟑螂行進方向的操控。但因技術制約，笨重的電子揹包使得蟑螂步履維艱，短短一米左右的路程需要花費一分鐘才能爬完。加之能耗大、電池容量低，過短的續航大大限制了實用價值。
不過，電子揹包的優化空間很大。最近幾年出現了更加緊湊的設計，可以讓蟑螂輕裝上陣。2015年，美國得克薩斯農工大學的研究者在《皇家學會期刊-介面》上介紹了改良版蟑螂電子揹包。它的控制器和無線接收器尺寸都被優化得更小，使得蟑螂的行動更加便利，甚至連體型稍小的美洲大蠊都可揹負。這項研究還引入了糾錯機制，當蟑螂沒有正確響應訊號刺激時，系統會自動再次釋放脈衝，糾正蟑螂的前進方向。
隨著昆蟲神經研究和電子技術的進步，電子控制揹包也開始走出實驗室。專注生物神經系統的公司從2013年起，開始面向消費者開發開箱即用的蟑螂控制系統，並在2015年推出了成熟的蟑螂控制套件，讓感興趣的人在家也可以享受一把“遙控蟑螂”的樂趣。一併在官網開放售賣的還有蟑螂手術箱、蟑螂醫療箱等配套產品，以及活體蟑螂。它提供了不少“手術”教程和效果展示視訊。這一裝置並不需要操作者擁有太多的學科知識或技術手段，便可跟隨視訊教學完成安裝植入：為了防止蟑螂亂動干擾手術，需要先用冰水麻醉它，然後將電極插入修剪後的觸角即可完成連線。包括電極在內的所有元件都將由膠水固定在蟑螂身上。從麻醉中甦醒的蟑螂既能有線連線到套件進行訊號分析，也能夠通過藍芽連線，在一定距離內由智慧手機等裝置無線操控。
在精確高效控制蟑螂爬行方向這個領域，技術研發已經較為成熟。但蟑螂頑強的生存力所提供的潛力不止於此，研究者們也並不滿足於在實驗室和花園裡玩弄蟑螂。他們的終極目標是將蟑螂培養成災害現場的搜救專家。要做到這一點，需要這塊電子揹包具備更多的元件、更高的效能。
例如，實際搜救場景中，僅數分鐘的續航顯然不足以完成任務，這需要更高儲量的電池和更低的能耗。搜救並無既定路線，需要根據現場情況決定方向，而遠離蟑螂的控制端要做出正確判斷，需要電子揹包傳回更多影象或聲音資訊。以Backyard Brains的套件為例，電子揹包僅能進行無線控制訊號接收，而並沒有任何訊號感測和傳送功能，即使是通過電極獲取的神經電訊號，也需要通過電纜有線連線到裝置才能讀取。更何況影象分析、避障路線計算等工作需要相當的運算量，在大量搜救蟑螂同步工作時，便攜的控制終端可能很難滿足算力需求。2015年得克薩斯農工大學制成的電子揹包已“重達”3g，卻只能維持2小時續航，且美洲大蠊在進行1小時連續實驗後，就不得不休息來讓行動力從疲勞中恢復。若以簡單疊加方式在電子揹包中新增更多感測、計算和通訊元件，續航和重量的壓力將進一步增加。
三、更小、更便捷
5月釋出在arXiv的最新研究提供了針對這些障礙的解決方案，通過更徹底地融合昆蟲平臺和微控制器技術，創造了有史以來第一個專為搜救任務設計的完整昆蟲-計算機混合系統。這一設計在電子揹包中加入了紅外攝像頭、CO2感測器、快閃記憶體等元件，並在蟑螂尾部加入電極讀取蟑螂自行導航時與障礙資訊有關的神經電訊號。在瞭解蟑螂本身對障礙物的感知和對可行路徑的判斷後，再與定製的導航控制演算法結合，使用機器學習用紅外影象和其他資訊檢測人體存在、進行路線推算，即使在複雜地形下也能通過昆蟲-計算機的“協商”（negotiation）進行高效的探索。
這一結構降低了對外部控制的需求，使得系統依靠自身就能完成檢測、尋徑和方向控制。新技術與蟑螂自身更緊密的結合也降低了算力和能源需求，使裝置的續航時長達到了一個小時，足以滿足相當範圍的搜求需求。裝置較高的整合度也有效控制了重量，整體重約5.5g。研究者稱，這一系統在實驗條件下有94%的搜救成功率。
