装上脑机接口 让动物“听懂”人话
山东科技大学深耕动物机器人研究领域 通过智能机器传感让老鼠、鸽子、蟑螂等听从指令行动
近日，在青岛消防支队，一场特殊的测试悄然展开。在一个约10平方米的模拟灾后场景中，一只背着“电子背包”的“机器人蟑螂”在狭窄的甬道中敏捷穿行，可灵活避开石块、木板等障碍物。这一幕犹如科幻电影片段的情景，正是出自山东科技大学动物机器人研究团队之手，团队成员一边操控着“机器人蟑螂”行进，一边通过其头部的单目摄像头接收蟑螂“第一视角”的画面。
钻研动物机器人20余年
这不是山东科技大学研发的首个动物机器人。20余年来，学校机器人研究中心科研团队深耕动物机器人领域，接力创造了多项科研突破，为智能机器人技术的发展开拓了新路径。
山东科技大学动物机器人研究始于20世纪90年代末。当时，山东科技大学教授苏学成在研究“四周履带式蛇形机器人”时意识到，传统机电式微小型机器人面临“能源有限”和“能力受限”两大瓶颈，由此萌发了以动物替代机电机器人的构想，尝试用数十微安级的微电流刺激动物脑区，令其感到兴奋或高兴而跑动。
2005年，苏学成团队研制出国内首只“机器人鼠”。然而，由于老鼠天生胆小，“机器人鼠”在实际应用中作用并不大。怎样让动物机器人实现更大的活动范围和应用空间？苏学成苦苦思索，一只在天空中翱翔的鸟儿给了他灵感。于是，苏学成团队开始将鸽子作为研究对象。他们将微电极植入鸽子的脑部神经区域，需要进行人为控制时，就将刺激发生器插到露在鸽子脑外部的插座上，鸽子变成受人控制的“机器人鸟”。
首例“机器人鸟”诞生
2007年，世界首例可实现飞行控制的“机器人鸟”在山东科技大学诞生。
研究团队在家鸽的脑中植入微电极，再装上刺激发生器，原本四处飞翔的家鸽立即变成了受人控制的“机器人鸟”。如何让鸽子“听话”？记者了解到，科研人员需要给鸽子安排一场手术。先将鸽子麻醉，将微电极植入其脑中。植入的位置根据需要而定，都是特定的神经核团。术后经过7天的康复，“机器人鸟”就随时可以投入实验了。实验的鸽子中有家鸽，也有信鸽。实验时，将一个微刺激发生器插入鸽子头部的电源，电脑发出指令，鸽子就可以根据指令做出相关的动作。平时，这些鸽子就如同普通的信鸽、家鸽一样在鸽笼里生活，甚至繁衍后代。曾经有一只“机器人鸟”在山东科技大学的实验室里孵出了一只小鸽子。这项研究从脑机接口入手，通过电刺激精准调控鸟类飞行行为，使家鸽“听懂”了人话，为动物机器人研究奠定了技术基础。
苏学成（中）和团队成员探究“机器人鸟”。
搜救的好帮手
失败的鸽子会不会受到电极的影响而死去？“这种影响微乎其微，即使电极不能去掉，也不影响它们生活。”苏学成表示，“失败的英雄们”也能生活得很惬意，有的还当了“鸽妈妈”，孵出了小鸽子。
“机器人鸟”有什么作用呢？“在听到人类给出的指令后，它可以做出起飞、盘旋、转向、前进等各种动作。”苏学成表示，“机器人鸟”的实用价值很高，野外寻人等任务都可以依靠它来实现。除了搜救，“机器人鸟”对于生态学的研究更是好帮手。它除了头上多顶“皇冠”，其他跟一般鸟类一样，可以带上微型相机等，记录下最真实的动物世界。此外，在国家安全、探测、空中摄影、投递、人类无法到达区域的探查等领域，都可以发挥无法替代的作用。
指挥鸽子完成各种动作
“‘机器人鸟’的行动可受远程控制，它们无需训练就能依据技术人员的指令改变飞行方向，显著优于需长期调试的传统机器人。”苏学成介绍，团队独创了“主动逃避”控制原理，还成功解析了鸽子的脑电波，开发出一套信号编码与传输系统，使技术人员能像操控无人机一样指挥鸽子完成起飞、转向、盘旋等动作。苏学成表示，“机器人鸟”展现了脑机接口技术在动物控制领域的巨大潜力，其最突出的优势在于“即做即用”。任何健康的鸽子植入电极后均可即时响应信号，这大幅提升了动物机器人的实用性与部署效率，适合规模化应用。
“‘机器人鸟’应用前景广阔，可以进入人类难以抵达的空间或环境，执行探测、物资投送等任务。我相信，这项技术能为人类带来更多便利。”苏学成说。
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昆虫机器人应用潜力大
昆虫机器人因其出色的运动能力、灵活性高、隐秘性强等特点，在灾害救援、工业检测、军事侦察、科学考察和特种工程等领域展现出巨大的应用潜力。特别是在地震废墟搜救、危险环境勘测、密闭空间探索等人员难以到达或存在安全隐患的场景中，昆虫机器人能够有效降低人员风险，显著提升作业效率。通过电刺激等方式控制昆虫的运动行为，具有能耗低、负载能力强、环境适应性好等优势。
延伸
20分钟就能制作一只“机器人蟑螂”
在山东科技大学，科研人员对动物机器人的探索从未停步。近年来，学校副教授槐瑞托团队将目光投向更具挑战的昆虫机器人领域，成功研发出新一代动物机器人——“机器人蟑螂”。
槐瑞托表示，之前昆虫机器人的控制方式主要依赖人工操作，“实验人员通过观察昆虫的运动状态来手动发送控制指令，不过这种方式存在不少问题。首先，人工控制的实时性和准确性较差，难以应对复杂环境中的突发情况；其次，昆虫机器人缺乏对环境的自主感知能力，自身无法有效避开障碍物；再次，实时运动轨迹的记录和分析方法在昆虫机器人应用较少，不利于控制策略的优化。”槐瑞托介绍，为提升昆虫机器人的环境感知能力，有研究者尝试在昆虫背部搭载各类传感器，然而，由于昆虫体型小、负载能力有限，传统的深度相机、激光雷达等设备体积较大、重量较重，难以实际应用。此外多数研究仅关注单一功能的实现，缺乏将环境感知、自主避障和轨迹记录等功能有机结合的综合性解决方案。
相较于前代研究，槐瑞托团队研发的“机器人蟑螂”核心突破在于其高度集成的生物神经调控系统。整套控制系统被集成于一枚微型“电子背包”中，几乎不影响蟑螂正常活动。通过这枚“电子背包”，操作人员可实现对蟑螂行动的直接调控。
槐瑞托介绍，团队利用自主开发的蟑螂手术制备平台，将电极植入手术效率提高6倍，成功率提升至99%。他们还研制出独特的蟑螂“普通话”刺激信号，使其能准确响应指令，实现遥控、监控、避障等多种功能。“我们能在20分钟内制作出一只‘机器人蟑螂’，成本仅约45元。它们单次可持续运行50分钟，存活期可达3个月。”参与项目研究的山东科技大学学生田鸿超说，“电子背包”历经3次迭代，图传延迟低于300毫秒，控制距离超过百米。
目前，槐瑞托团队已与中国电科网络通信研究院等单位展开合作，搭载微型传感器的“机器人蟑螂”在测试中表现稳定，获得合作方的认可。“‘机器人蟑螂’在狭小空间探测、隐蔽侦察等领域具有广阔应用前景，未来有望发挥重要作用。”槐瑞托说。
多年来，山东科技大学一直致力于智能机器人领域的研究，学校副校长陈绍杰表示，“学校将继续聚焦脑机接口等关键技术，将机器人研究领域的传统优势与人工智能等前沿技术深度融合，超越传统‘遥控’模式，打造能在复杂动态环境中自主感知、决策和执行任务的全新一代智能体。”
（青岛早报/观海新闻记者 钟尚蕾 通讯员 徐展 图片均由受访者提供）
责任编辑：臧婷
