誰(shuí)說(shuō)機(jī)器人一定由冰冷的“硅基”金屬和電路操控？如今，結(jié)合生命體與機(jī)器人的“生物混合機(jī)器人”已成為新的前沿方向。去年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了一項(xiàng)有趣的突破：他們成功利用餐桌上常見(jiàn)的杏鮑菇，操控兩款不同形態(tài)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。那么，他們究竟如何實(shí)現(xiàn)這一奇思妙想的呢？

撰文 | 李勃（陜西省生物農(nóng)業(yè)研究所）

從上世紀(jì)80年代風(fēng)靡至今的日本動(dòng)漫《機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士高達(dá)》，到近年來(lái)震撼全球的好萊塢大片《環(huán)太平洋》，操控強(qiáng)大的機(jī)甲去戰(zhàn)斗，是無(wú)數(shù)小男孩和“老男孩”的夢(mèng)想與浪漫。

但你可曾想過(guò)，未來(lái)的機(jī)甲或許不是由冰冷的金屬和電路控制的，而是由......蘑菇來(lái)指揮？沒(méi)錯(cuò)，就是那種長(zhǎng)在森林里、可以下鍋煎炒的蘑菇！

日本館門(mén)前的巨型高達(dá)機(jī)甲戰(zhàn)士成為2025年大阪世博會(huì)的金字招牌丨圖源：李旻攝

《環(huán)太平洋》中守衛(wèi)香港的中國(guó)機(jī)甲“赤紅暴風(fēng)”丨圖源：官方電影海報(bào)

亮相長(zhǎng)春航展的中國(guó)科幻IP“南天門(mén)計(jì)劃”中的承影機(jī)甲丨圖源：央視新聞

機(jī)甲操控：看似觸手可及，實(shí)則難度重重

機(jī)甲一詞，來(lái)源于日語(yǔ)中的“メカ”，英語(yǔ)里稱(chēng)為Mecha，通常指科幻作品中由人類(lèi)操作的大型戰(zhàn)斗機(jī)器人。在上個(gè)世紀(jì)，這也許還只是遙不可及的幻想。如今，隨著AI和工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，不少機(jī)器人已能做出流暢的動(dòng)作，甚至協(xié)助人類(lèi)完成諸多任務(wù)。

宇樹(shù)科技開(kāi)發(fā)的人形機(jī)器人亮相春晚丨圖源：央視傳媒

當(dāng)然，要讓高達(dá)機(jī)甲像人一樣靈活戰(zhàn)斗，依然困難重重。目前的機(jī)器人主要由傳感器、執(zhí)行器和負(fù)責(zé)發(fā)出指令的機(jī)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，相比經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化的生命體，這樣的結(jié)構(gòu)還是太過(guò)簡(jiǎn)單?，F(xiàn)有傳感器的靈敏度雖高，大多卻只能檢測(cè)單一的信號(hào)（如壓力、光、熱、濕度等），難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境。

而動(dòng)物和人類(lèi)擁有密度極高的感受器（感覺(jué)神經(jīng)末梢；僅一個(gè)小手指尖上，就存在超過(guò)3000個(gè)感受器），它們不僅能夠同時(shí)感知多種信號(hào)，還與成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)和神經(jīng)元精密連通，使信號(hào)能夠快速傳遞至大腦并迅速反應(yīng)。生物體通過(guò)“生長(zhǎng)”而非“組裝”來(lái)解決傳感器、執(zhí)行器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的鏈接問(wèn)題。如果要以人造方式組裝出同等復(fù)雜的系統(tǒng)，所需的技術(shù)與工藝目前仍難以實(shí)現(xiàn)。

為了突破這一技術(shù)瓶頸，科學(xué)家們想到了一個(gè)折中的辦法——將生命體與機(jī)器人融合，打造生物混合機(jī)器人（biohybrid robot）。這類(lèi)機(jī)器人結(jié)合了生物系統(tǒng)的高效能量轉(zhuǎn)換、強(qiáng)適應(yīng)性、自我修復(fù)、環(huán)境交互等優(yōu)勢(shì)，以及機(jī)電系統(tǒng)的高精度控制、復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行與可批量制造等特點(diǎn)，是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新方向。

最近，國(guó)際頂尖期刊Science Robotics發(fā)表了一項(xiàng)來(lái)自美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究。該團(tuán)隊(duì)利用杏鮑菇的菌絲體，成功控制了兩款不同形態(tài)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，為“碳基-硅基”融合及生物-電子混合技術(shù)開(kāi)辟了新路徑。

杏鮑菇丨圖源：參考文獻(xiàn)[1]

為何偏偏選蘑菇？

平時(shí)用來(lái)燙火鍋的蘑菇竟然能夠操控機(jī)器人？這聽(tīng)起來(lái)像是天方夜譚，背后卻大有文章。

生物混合機(jī)器人需滿足三個(gè)條件：由生物組件與非生物組件融合構(gòu)成；具備傳感器、處理器與執(zhí)行器等基本功能單元；擁有自主或半自主的環(huán)境交互能力。

目前這類(lèi)機(jī)器人多使用動(dòng)物細(xì)胞（或組織）作為控制單元，但動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)難度大、成本高、維護(hù)復(fù)雜。于是，科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向非動(dòng)物系統(tǒng)，卻面臨新的挑戰(zhàn)：細(xì)菌生命周期太短，植物反應(yīng)又太慢——如同《指環(huán)王》中的樹(shù)人，動(dòng)一下可能要等半天。

而我們?nèi)粘Ｊ秤玫哪⒐?，其?shí)只是真菌的“繁殖體”，它真正的“身體”是深藏于地下的菌絲體（mycelium）。這些肉眼幾乎看不見(jiàn)的菌絲，擁有驚人的生存能力：無(wú)論是極寒的北極凍土，還是存在核輻射的區(qū)域，它們都能頑強(qiáng)生長(zhǎng)。更神奇的是，菌絲網(wǎng)絡(luò)具備傳感、通信、傳輸養(yǎng)分的功能，能快速產(chǎn)生和傳遞電信號(hào)。

肉眼看到的菌絲體（左）和電子顯微鏡觀察下的菌絲體（右）丨圖源：wikipedia

相較于動(dòng)物和植物，菌絲體只需要少量水分和簡(jiǎn)單的營(yíng)養(yǎng)就可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間生存。而且，在自然界中一些真菌本身就寄生在特定的昆蟲(chóng)或植物體內(nèi)，通過(guò)產(chǎn)生電信號(hào)和化學(xué)激素來(lái)影響宿主的行為，簡(jiǎn)直是為生物機(jī)器人量身定做的“天然控制器”！

麥角菌科的一些真菌可以通過(guò)寄生在昆蟲(chóng)身上來(lái)控制宿主的行為丨圖源：參考文獻(xiàn)[1]

如何讓蘑菇指揮機(jī)器人？

要實(shí)現(xiàn)真菌控制機(jī)器人并不簡(jiǎn)單。這是一個(gè)結(jié)合了機(jī)械工程、電子學(xué)、真菌學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域的系統(tǒng)性工程。但想大概明白原理，就和把大象放進(jìn)冰箱里一樣簡(jiǎn)單。只需三步：

第一步，讓蘑菇在機(jī)器人身上“安家”?？茖W(xué)家們用3D打印制作了一個(gè)特殊的支架，上面布滿了微小的電極，就像給蘑菇準(zhǔn)備了一張“信號(hào)接收網(wǎng)”。然后，他們把杏鮑菇的菌絲體接種在支架上，讓菌絲慢慢生長(zhǎng)逐漸包裹住電極，這個(gè)過(guò)程大約需要2到4周。而之所以選擇杏鮑菇作為研究對(duì)象，是因其菌絲生長(zhǎng)模式簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)速度快并且安全無(wú)毒。

在支架上培養(yǎng)杏鮑菇菌絲丨圖源：參考文獻(xiàn)[4]

菌絲體包裹電極丨圖源：參考文獻(xiàn)[4]

第二步，偷聽(tīng)蘑菇的“悄悄話”。菌絲體感知環(huán)境時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的電信號(hào)，有點(diǎn)像我們大腦里神經(jīng)元傳遞信息的“動(dòng)作電位”。這些信號(hào)非常微弱，比一節(jié)干電池的電壓還要小幾千倍。所以科學(xué)家們給支架加了“防干擾護(hù)盾”（法拉第籠），隔絕外界的電磁干擾，再用高靈敏度的設(shè)備記錄這些電信號(hào)的變化。比如，當(dāng)紫外線照射到菌絲體時(shí)，它會(huì)發(fā)出更強(qiáng)烈的電信號(hào)，仿佛在喊：“好刺眼，快躲開(kāi)”！

記錄杏鮑菇產(chǎn)生的電信號(hào)圖源：參考文獻(xiàn)[4]

第三步，把“蘑菇語(yǔ)”翻譯成“機(jī)器人語(yǔ)”。在大多數(shù)動(dòng)物的大腦中，有一個(gè)被稱(chēng)為“中樞模式發(fā)生器”（Central pattern generator，CPG）的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)就像生物的“內(nèi)置節(jié)拍器”，能讓我們不用刻意控制就能走路、呼吸。科學(xué)家模仿動(dòng)物大腦里的CPG設(shè)計(jì)了一套算法。這套算法能識(shí)別菌絲體電信號(hào)的節(jié)奏和強(qiáng)度，把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字指令，比如“前進(jìn)”“轉(zhuǎn)彎”“加速”。信號(hào)增強(qiáng)，機(jī)器人就加速；節(jié)奏改變，機(jī)器人則調(diào)整步態(tài)，就像我們根據(jù)路況改變走路方式一樣。

機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)接收蘑菇的數(shù)字指令（左）從而形成運(yùn)動(dòng)（右）圖源：參考文獻(xiàn)[4]

蘑菇機(jī)器人究竟能干啥？

基于上述三步，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩款超酷的真菌機(jī)器人。

第一款是“海星機(jī)器人”，身體由柔軟的硅膠做成，靠充氣“腿”伸縮移動(dòng)，菌絲體支架裝在它的背上。當(dāng)菌絲體發(fā)出自然的電信號(hào)時(shí)，機(jī)器人會(huì)慢慢收縮“腿”，像海星在海底爬行一樣，一步一步往前挪；當(dāng)用紫外線照射菌絲體時(shí)，電信號(hào)變強(qiáng)，它的“步伐”會(huì)加快，仿佛在躲避強(qiáng)光。

使用紫外線照射時(shí)蘑菇機(jī)器人的動(dòng)作頻率顯著加快丨圖源：參考文獻(xiàn)[4]

第二款是四輪迷你越野車(chē)，自帶電池和信號(hào)處理器，能獨(dú)立工作。當(dāng)菌絲體感知到環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)時(shí)，電信號(hào)會(huì)引導(dǎo)機(jī)器人調(diào)整方向，比如朝著化學(xué)物質(zhì)濃度低的地方移動(dòng)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，只要定期給菌絲體補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液和孢子，它就能持續(xù)“工作”，甚至在舊的菌絲體老化后，新的菌絲體還能繼續(xù)生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)“自我更新”！

使用紫外線照射時(shí)，杏鮑菇會(huì)發(fā)出指令讓小車(chē)加速前進(jìn)圖源：參考文獻(xiàn)[4]

盡管這兩款蘑菇機(jī)器人還很“簡(jiǎn)單”，其潛力卻十分可觀！我們可以展望一下未來(lái)。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，菌絲體對(duì)土壤里的化肥殘留、重金屬、病蟲(chóng)害極為敏感。未來(lái)，帶著菌絲體傳感器的機(jī)器人可以在農(nóng)田里巡邏，一旦發(fā)現(xiàn)土壤酸堿度失衡，或者出現(xiàn)有害病菌，就會(huì)立刻發(fā)送信號(hào)，提醒農(nóng)民調(diào)整施肥量，或者精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥，減少污染。

在極端環(huán)境探測(cè)中，菌絲體不怕輻射、耐嚴(yán)寒、耐鹽堿，蘑菇機(jī)器人可以代替人類(lèi)去危險(xiǎn)的地方執(zhí)行任務(wù)：比如檢測(cè)核污染區(qū)域的輻射水平，或者在極地冰原探測(cè)氣候變化。

甚至在太空探索中，它們也能發(fā)揮作用，只需要攜帶少量菌絲體孢子，到了火星或月球后，讓菌絲體在當(dāng)?shù)氐闹Ъ苌仙L(zhǎng)，就能造出“就地取材”的探測(cè)機(jī)器人，大大降低太空任務(wù)的成本。

也許，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，幫助你駕駛機(jī)甲去捍衛(wèi)和平的，不止有AI，還有蘑菇......

小 結(jié)

蘑菇機(jī)器人的研發(fā)，給我們帶來(lái)了一個(gè)有趣的啟示：科技未必總是冷冰冰的芯片和機(jī)械，它也可以與自然和諧共生。在普通人眼中，科學(xué)家只是換了一種方式控制機(jī)器人。但實(shí)際上，他們搭建起環(huán)境信號(hào)、機(jī)器人與生命系統(tǒng)之間的橋梁，將不可見(jiàn)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的物理動(dòng)作。

這恰恰證明：“創(chuàng)新”不一定需要追逐遙不可及的“黑科技”。有時(shí)候，低下頭看看腳下的泥土、留意身邊的植物，或許就能找到突破的靈感。

致謝：

感謝中國(guó)科學(xué)院大學(xué)尚雪副教授、陜西省微生物研究所孫超副研究員、中國(guó)科學(xué)院西安分院王長(zhǎng)曄老師及廣東科技出版社李旻老師等友人為撰寫(xiě)本文提供的文獻(xiàn)、圖片資料和寶貴意見(jiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[7] Central pattern generator - Wikipedia

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