上个月缅甸发生大地震后，各国救援队纷纷赶往灾区。其中，新加坡带去的除了80个队员、4条搜救犬，还有一支特殊的技术小组——10只经过改造的“半机械蟑螂”参与人道主义救援任务。这是全球首次将昆虫混合机器人投入实际救灾行动。

“蟑螂”“机械”“救援”，这几个词放在一句话里是合理的吗？

（图源“新加坡内政部科技局”）

蟑螂也得打工

按照现代的生物分类学，地球上有4000多种蟑螂，其中仅有数十种会入侵人类居住场所，数种会被人类当作宠物饲养，绝大部分品种只能出现在野外山涧树林或昆虫博物馆。

“马达加斯加发声蟑螂”是一种大型蜚蠊，体长5cm～7cm。与大多数的蜚蠊不同的是，他们不具翅膀，同时还是攀爬好手。此次参与地震救援的“半机械蟑螂”用的就是它。

为何选用蟑螂？新加坡内政部科技局表示，目前最先进的微型机器人移动起来能耗较高，运行寿命仅几分钟，不适合持续数小时甚至数天的搜救任务，而昆虫能够自主移动，蟑螂体型小巧，可钻进狭窄缝隙，且生命力强。

所谓的“半机械”并不是对蟑螂进行侵入性神经改造，而是通过在蟑螂的背上安装一种微型电子背包，将无线信号与昆虫的神经系统连接，控制者就以微量电刺激引导其运动方向。

在这个微型电子背包里，有一块主控制板、一个无线通信模块和一块小型可充电锂电池。安装电子背包需要极为小心，既要确保电子元件能正常运行，又不能影响昆虫的自然活动。

在搜救犬完成初步排查后，半机械蟑螂便被派往更深的瓦砾缝隙，帮助探测被困在废墟下的幸存者，任务耗时约45分钟。

工程师们表示，在缅甸灾区投入救援工作的蟑螂靠胡萝卜和水，即可维持生存，状况良好。

（图源“npj Flexible Electronics”）

令人惊叹的协作能力

让一群蟑螂听指挥行动其实不是那么简单的事情。

在机器人群体控制研究领域，通过模仿候鸟的队形驱动机器人是比较主流的方向。然而应用到“半机械昆虫”身上时就会发现，一旦昆虫被障碍物绊倒就很难恢复原来的姿态。如果昆虫进行的是群体行动，还可能挤作一团无法前进。

为了精确地控制它们，需要准确确定每只昆虫的位置，但这将增加设备的尺寸，并会使昆虫的行动受限。

实现这一目标的关键是，让昆虫能够自觉地追随人类的引导，就像跟团旅游时游客会自觉跟随举着小旗的导游移动一样。据此，研究团队设计了“旅游团启发控制”，此算法模仿了游客跟随导游的行为，由一个昆虫担任领队，其他昆虫在后进行跟随。

通过简单的规则，让昆虫群体保持队形并有效避开障碍，每只昆虫的行动都会受到邻近昆虫的影响，它们在行进过程中会根据彼此之间的距离和方向不断调整自己的方向。当一只昆虫因障碍而减速时，其他昆虫会本能地绕开它，形成一个自然的避让机制。

此外，实验室还创新性地利用昆虫的自然本能和群体行为，有效地减少了昆虫之间可能存在的干扰或者影响，提高了系统的稳健性和效率。这些突破性进展为半机械昆虫在实际应用中的大规模部署奠定了基础。

值得一提的是，控制信号不会破坏昆虫的神经系统，而是通过模拟自然的神经信号来引导昆虫执行特定的动作。

也就是说，昆虫的基本生理功能和自然行为得以保留，其自主活动能力未被剥夺，仅在特定任务中接受行为引导，就如同为生物体安装了“智能导航系统”。

可以说，“本次救援过程中没有任何一只蟑螂受到伤害”。

（图源“新加坡内政部科技局”）

据新加坡内政部科技局表示，半机械蟑螂在缅甸灾区部署了四次，尽管未发现幸存者，这些任务为技术改进提供了现实场景的部署数据，有助于推进该新兴领域研发。

后续，实验室将致力于进一步提升半机械化昆虫的自主定位能力。同时还将开发多场景应用模型，包括物流仓储巡检、农田病虫害监测及有毒环境勘探等，进一步挖掘技术在实际场景中的应用潜力。

参考资料：

[1]张佳欣.可充电遥控半机械“小强”现身[N].科技日报,2022-09-06(004).

[2]日本和新加坡研究团队为机械蟑螂开发出3D打印假肢,显著提升其自我翻正性能[J].金属功能材料,2024,31 (03).

记    者：叶家余

编    辑：卢婷婷

主    编：陈    鑫

总编辑：余师亮

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