通過模仿昆蟲腦控制機(jī)器人——東京大學(xué)尖端科學(xué)技術(shù)研究中心副所長、生命智能系統(tǒng)領(lǐng)域教授神崎亮平率領(lǐng)的研究組正在開展這項(xiàng)研究。

 

　　與人等哺乳類動(dòng)物相比，昆蟲的腦極其簡單。有研究表明，組成人腦的神經(jīng)細(xì)胞有1011個(gè)，而昆蟲只有105～106個(gè)左右。盡管如此，昆蟲依然具備巧妙躲開障礙物，在發(fā)生危險(xiǎn)前面隱蔽自己的能力。而且，對于危險(xiǎn)的反應(yīng)速度比人還要快。在存在外部干擾的情況下，還能對干擾進(jìn)行修正。也就是說，“只要能夠人工制造出昆蟲的腦，就可以制造出前所未有的節(jié)能、機(jī)敏的高性能機(jī)器人”（神崎）。

 

　　為了了解昆蟲腦，神崎研究組研究的對象，是家蠶蛾對特定的氣味物質(zhì)（信息素）做出反應(yīng)并向其移動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

 

　　通過神經(jīng)的可視化制造人工腦

 

　　研究大致分為兩個(gè)方向。一是解明昆蟲腦的回路結(jié)構(gòu)，制造出人工腦，使用人工腦驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。二是直接使用昆蟲腦驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。研究組希望通過二者的比較研究，對人工腦進(jìn)行修正和拓展，從而提高人工腦的精度。

 

　　圖5：對昆蟲腦實(shí)施IC化

 

　　通過解明家蠶蛾朝信息素發(fā)生源的方向移動(dòng)的腦結(jié)構(gòu)，制造人工腦，用來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。

 

　　人工腦的制作方式如下。首先，向昆蟲腦的神經(jīng)細(xì)胞中插入含有熒光色素的玻璃管電極，通入微弱電流，對細(xì)胞進(jìn)行熒光染色，利用共焦激光掃描顯微鏡觀察，測量每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)。然后，根據(jù)三維結(jié)構(gòu)，利用單個(gè)的神經(jīng)細(xì)胞構(gòu)建神經(jīng)回路（網(wǎng)絡(luò)），明確家蠶蛾腦神經(jīng)回路的概要。

 

　　為了揭示把氣味物質(zhì)檢測轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究組還特別調(diào)查了昆蟲腦在檢測信息素時(shí)把信息傳送到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的方式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)接收到了與觸發(fā)器電路相同的信號（圖6）。而通過對生成信號的神經(jīng)細(xì)胞順藤摸瓜，與信息素檢測到運(yùn)動(dòng)全過程相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也水落石出。

 

　　圖6：家蠶蛾的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是觸發(fā)器響應(yīng)

 

　　在制作使用昆蟲腦驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人的過程中，研究組發(fā)現(xiàn)了左右的動(dòng)作是通過觸發(fā)器響應(yīng)的方式傳送。動(dòng)作通過信號的長短表現(xiàn)。（圖：《日經(jīng)電子》根據(jù)東京大學(xué)的資料制作）

 

　　而且，研究組還利用程序模仿檢測氣味物質(zhì)并激發(fā)動(dòng)作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，制成了人工腦。

 

　　在超級計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)昆蟲腦

 

　　直接使用昆蟲腦控制的機(jī)器人分為兩種。一種是家蠶蛾利用自己的腿控制的機(jī)器人“昆蟲操控機(jī)器人”，一種是取下家蠶蛾的頭部，只利用腦的“昆蟲腦操控機(jī)器人”。

 

　　昆蟲操控機(jī)器人是把家蠶蛾放置到可以自由旋轉(zhuǎn)、類似于乒乓球的球體上，用家蠶蛾進(jìn)行控制。當(dāng)家蠶蛾活動(dòng)腿腳，向目標(biāo)方向前進(jìn)的時(shí)候，球會隨之運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，傳感器將檢測到動(dòng)作。根據(jù)信號，機(jī)器人會做出相應(yīng)的動(dòng)作。昆蟲腦操控機(jī)器人則是取下家蠶蛾的頭部，通過檢測傳導(dǎo)至運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的觸發(fā)器信號，利用這種神經(jīng)信號驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。

 

　　通過研究利用昆蟲腦的機(jī)器人，研究組發(fā)現(xiàn)，即使讓致動(dòng)器的動(dòng)作比家蠶蛾的腦做出反應(yīng)延時(shí)約600ms，或是沿左右方向做不對稱動(dòng)作，家蠶蛾的腦也能對這些外部干擾進(jìn)行糾正。

 

　　神崎研究組認(rèn)為，通過對比使用人工腦和昆蟲腦的機(jī)器人并不斷改進(jìn)，能夠制造出抗干擾能力強(qiáng)的機(jī)器人?，F(xiàn)在，利用超級計(jì)算機(jī)“京”重現(xiàn)家蠶蛾更詳細(xì)的神經(jīng)回路，實(shí)施模擬其功能的研究也在進(jìn)行中。如果這項(xiàng)研究取得成功，人們將有可能對基于腦設(shè)計(jì)圖的神經(jīng)回路功能進(jìn)行檢驗(yàn)和預(yù)測，制造出更接近昆蟲腦的人工腦。

 

　　考察蟋蟀的回避能力

 

　　神崎也與日產(chǎn)汽車開展了合作研究。研究的內(nèi)容是具備蜂類和蟋蟀的回避能力的機(jī)器人。

 

　　其中，日產(chǎn)汽車對蟋蟀的回避能力寄予了強(qiáng)烈關(guān)注。因?yàn)楫?dāng)接近的移動(dòng)體和障礙物不止一個(gè)時(shí)，蟋蟀能夠?yàn)槠渑哦▋?yōu)先順序，有效進(jìn)行回避。與之相比，EPORO只能避開近處的障礙物，無法像蟋蟀那樣排序。

 

　　神崎表示，在為機(jī)器人賦予蟋蟀的回避能力后，機(jī)器人在模擬中，依次避開了16個(gè)移動(dòng)體。實(shí)際試制的機(jī)器人也成功避開了多個(gè)移動(dòng)體。