如果告訴你，科學家能在68秒內(nèi)把一只普通蟑螂變成可遠程控制的“生物機器人”，你會相信嗎？這不是科幻電影的情節(jié)，而是剛剛發(fā)表在《自然·通訊》上的真實研究成果。

2025年7月28日，新加坡南洋理工大學的研究團隊向世界展示了一項革命性技術：全球首條昆蟲-計算機混合機器人全自動生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)線能夠以前所未有的速度和精度，將活體昆蟲改造成具有可控運動能力的“半機械生物”。更令人震撼的是，整個改造過程完全自動化，從固定昆蟲到完成組裝，僅需68秒。

研究人員手中的半機械蟑螂，背上是控制背包

（圖片來源：參考文獻1）

為什么是蟑螂？——大自然的“最優(yōu)選”

在尋找理想的生物平臺時，研究團隊將目光投向了一種特殊的生物——馬達加斯加蟑螂。這種世界上最大的蟑螂之一，成年個體身長可達5-7cm，體重6-8g，看似平凡的外表下隱藏著驚人的能力。

蟑螂擁有工程師們夢寐以求的幾大“超能力”：

超長待機：能源系統(tǒng)完全自給自足，通過簡單的進食就能獲得持續(xù)數(shù)天的動力，而同等大小的機械機器人往往在幾十分鐘后就會電量耗盡。

極限縮骨：能將身體壓縮到原始高度的四分之一，穿過僅有幾毫米的縫隙，這種柔性變形能力是當前任何微型機器人都望塵莫及的。

超強負載：盡管體重輕巧，卻能攜帶相當于自身體重兩倍的負載（約15克），足以加裝各種傳感器和通信設備。

生存專家：耐高溫、耐輻射、耐缺氧，這些特性使蟑螂成為執(zhí)行危險任務的理想平臺。

控制的突破：從“觸角”到“關節(jié)”

傳統(tǒng)的昆蟲控制方法，需要在昆蟲纖細的觸角（直徑僅 0.6 mm）上植入電極，操作難度極大，就像試圖在一根頭發(fā)絲上進行精密手術，成功率低且容易損傷昆蟲的感知系統(tǒng)。

研究團隊的突破性創(chuàng)新改變了游戲規(guī)則。他們首次將控制點從脆弱的觸角轉移到了蟑螂前胸與中胸之間的彈性薄膜上。這塊薄膜就像是大自然為科學家預留的接口，不僅面積更大、位置固定，而且與控制前肢運動的神經(jīng)系統(tǒng)直接相連。

為了利用這個發(fā)現(xiàn)，團隊開發(fā)了獨特的Y形雙極電極。當3V的電脈沖通過電極傳導時，神奇的事情發(fā)生了：刺激右側電極，蟑螂會向左轉；刺激左側，則向右轉；同時刺激兩側，蟑螂則會減速。整個響應時間僅需0.4秒，這種精準快速的控制此前從未實現(xiàn)過。

68秒的“智造”奇跡：從手工作坊到智能工廠

將實驗室的成功轉化為可批量生產(chǎn)的技術，是這項研究最大的亮點。傳統(tǒng)的人工組裝需要經(jīng)驗豐富的研究人員在顯微鏡下細心操作15分鐘，成功與否很大程度上取決于操作者的技術水平和當天的狀態(tài)。

全新的自動化系統(tǒng)徹底改變了這一切。系統(tǒng)的核心是一套精密的視覺定位技術，采用深度學習算法訓練的TransUNet模型，通過分析6570張標注圖像，學會了識別不同體型蟑螂的解剖結構。它就像一個訓練有素的解剖學家，即使面對從未見過的個體，系統(tǒng)也能在3秒內(nèi)準確定位植入點，精度達到亞毫米級。

機械臂的精準操作令人嘆為觀止。Universal Robots UR3e機械臂的重復定位精度達到0.03mm，比人的手穩(wěn)定百倍。它輕柔地抓取僅重2.3g的電子背包，像外科醫(yī)生握著手術刀，每一個動作都經(jīng)過精確計算和優(yōu)化。

最巧妙的是自適應固定系統(tǒng)。兩根精密定位桿分別壓住蟑螂的不同部位，使目標薄膜完美暴露。系統(tǒng)會根據(jù)每只蟑螂的體型自動調(diào)節(jié)壓力和角度，確保既能穩(wěn)定固定，又不會造成傷害。這種個性化的處理方式，是人工操作難以達到的。

從麻醉后的蟑螂被放置到平臺，到完成全部組裝并釋放，整個過程行云流水，僅需68秒。對于5.0-6.0cm的標準體型蟑螂，成功率高達86.7%，生產(chǎn)效率提升了13倍。

蟑螂改造自動化流水線示意圖，A為機械臂操作流程，B為電極植入，C為成品，D為電子背包

（圖片來源：參考文獻1）

群體智慧的展現(xiàn)：協(xié)同作戰(zhàn)的威力

單個半機械蟑螂的能力已經(jīng)令人印象深刻，但當它們組成團隊時，展現(xiàn)出的協(xié)同效應更加驚人。在一個4平方米的模擬災后場景中，研究人員隨機放置了各種障礙物，包括石塊、木板、金屬片等，真實還原了廢墟環(huán)境的復雜性。四只自動組裝的半機械蟑螂被同時投放到場地中，每只都裝備了超寬帶定位標簽，能夠?qū)崟r追蹤它們的位置。

實驗開始后，蟑螂們按照預設的程序開始探索。它們沒有復雜的路徑規(guī)劃，只是簡單地隨機移動，每10秒接收一次方向調(diào)整指令。然而，就是這種看似簡單的策略，產(chǎn)生了驚人的效果。

10分31秒后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，四只蟑螂共同覆蓋了場地的80.25%，而單只蟑螂的最高覆蓋率僅為45.75%。更重要的是，它們的路徑互補性很強，一只蟑螂探索過的區(qū)域，其他蟑螂會自然地避開，轉向未知區(qū)域。這種涌現(xiàn)出的集體智慧，為未來大規(guī)模部署提供了有力支撐。

精密工程背后的科學原理

這項技術的成功離不開多個學科的交叉融合。

材料科學：研究團隊創(chuàng)新性地采用了多材料3D打印技術。普通樹脂提供結構強度，而含有鈀催化劑的活性樹脂則在特定區(qū)域形成導電通路。通過精確控制打印參數(shù)，他們制造出了既堅固又導電的復合結構。

化學鍍銅工藝：在含有硫酸銅和甲醛的鍍液中，鈀催化劑觸發(fā)了銅的選擇性沉積。經(jīng)過16分鐘的精確控制，形成了厚度為2.5微米的均勻銅層，電阻低于70歐姆，確保了電信號的有效傳輸。

深度學習算法：TransUNet模型巧妙地結合了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的局部特征提取能力和Transformer的全局信息整合能力。通過學習數(shù)千張蟑螂圖像，模型不僅能識別前胸的位置，還能理解不同個體間的形態(tài)差異，實現(xiàn)了93.3%的分割準確率。

神經(jīng)生理學：當電極刺激薄膜時，電信號通過神經(jīng)傳導到前肢肌肉，引起收縮。研究團隊通過記錄神經(jīng)電信號，優(yōu)化了刺激參數(shù)——3V的電壓既能產(chǎn)生明顯的行為響應，又不會造成神經(jīng)損傷。

從實驗室走向現(xiàn)實世界

這項技術的應用前景遠超想象：

災難救援：地震后,數(shù)百只半機械蟑螂可以迅速部署，它們攜帶生命探測器、氣體傳感器、微型攝像頭，深入人類和搜救犬無法進入的縫隙搜尋生命跡象。

工業(yè)檢測：它們可以輕松進入城市地下管網(wǎng)，檢測泄漏點、評估腐蝕程度、發(fā)現(xiàn)堵塞位置。

環(huán)境監(jiān)測與軍事應用：在高危區(qū)域（如核電站、化工廠）定期巡檢，構建森林火災預警網(wǎng)絡，或進入敵方陣地收集情報。

技術進步與倫理平衡

這項研究不可避免地引發(fā)了倫理討論。將活體生物改造成可控制的工具，這種做法是否合適？研究團隊對此有深入的思考和嚴格的規(guī)范。

所有實驗都在嚴格的動物福利框架下進行。蟑螂在操作前會被二氧化碳麻醉，確保它們不會感到痛苦。電極的植入是微創(chuàng)的，不會對蟑螂的基本生理功能造成永久損害。實驗結束后，設備可以被移除，蟑螂也能恢復正常生活。

更重要的是，我們需權衡利弊。這項技術的最終目的在于拯救生命、保護環(huán)境、提高人類福祉。在關鍵時刻，一只半機械蟑螂可能意味著一條人命的挽救，或一次環(huán)境災難的避免。從這個角度看，技術的價值可能遠超過潛在的倫理顧慮。

研究團隊同時也在探索更加人道的方案。未來有望開發(fā)出完全無創(chuàng)的控制方法，比如通過光遺傳學技術，利用光信號而非電信號來控制昆蟲行為。同時，他們還在研究如何讓昆蟲在執(zhí)行任務時獲得“獎勵”，從而建立一種互利共生的關系。

生物與技術融合的新紀元

僅僅68秒就造出一只活體機械蟑螂，這個數(shù)字不僅標志者生產(chǎn)效率的提升，更體現(xiàn)了人類對生命系統(tǒng)理解和利用能力的飛躍。我們正站在一個新紀元的門檻上，生物與技術的界限正在消融，這種混合系統(tǒng)展現(xiàn)出前所未有的潛力。

未來的發(fā)展方向同樣令人期待。研究團隊正在開發(fā)更小型化的控制系統(tǒng)，目標是將電子背包的整體重量降到1克以下。新一代的電極將采用柔性電子技術，能與昆蟲身體更好地貼合。人工智能算法將賦予半機械昆蟲自主決策能力，使它們能夠獨立完成復雜任務。

這項研究的成功也為其他生物機器人的開發(fā)鋪平了道路?？茖W家們正在探索將類似技術應用于甲蟲、蜻蜓、甚至更復雜的小型哺乳動物。每種生物都有其獨特的優(yōu)勢，通過技術增強，它們將在不同領域發(fā)揮獨特作用。

當科幻變成現(xiàn)實，當生命與機器融合，我們看到的不是自然的終結，而是進化的新篇章。這些半機械生物不是要取代自然，而是要增強我們與自然合作的能力，以共同應對人類面臨的挑戰(zhàn)。從實驗室的第一只改造蟑螂，到如今的自動化生產(chǎn)線，這段旅程展現(xiàn)了科學創(chuàng)新的巨大力量。這，僅僅是一個開始。

參考文獻：

1. Cyborg insect factory: automatic assembly for insect-computer hybrid robot via vision-guided robotic arm manipulation of custom bipolar electrodes

出品：科普中國

作者：郭菲（煙臺大學）

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