把蟑螂變成「生化小強」,未來人類可能得靠牠救援

作者 | 發布日期 2022 年 09 月 18 日 0:00 | 分類 生物科技 , 科技趣聞 Telegram share ! follow us in feedly


知名影集《星際爭霸戰》的博格人(Borg)是半有機物半機械的生化人(Cyborg),身上裝有大量人造器官及機械,能同化其他種族的生物和科技特徵。如果博格飛船有蟲,或許是半機械蟑螂的模樣(以下內容可能會引起不適,不建議吃飯時閱讀)。

天降大任於小強

馬達加斯加蟑螂成年可長到 6 公分(約 2.4 英吋),有「攀爬好手」之稱,當感覺有危險,會讓空氣快速通過背部氣孔發出嘶嘶聲。科學家從「馬小強」的偉岸身姿,看到有「進化」成半機械昆蟲的潛力。

日本理化學研究所領導的國際研究團隊,設計了遠端無線控制蟑螂系統,近日成果發表於科學期刊《npj Flexible Electronics》。

研究人員用特別設計的「背包」,將無線腿控模組和鋰聚合物電池連接蟑螂胸部,電磁脈衝刺激蟑螂神經系統,控制牠朝左或右移動。「背包」據蟑螂身體建模並用彈性聚合物 3D 列印,完美貼合蟑螂曲線,能固定在胸部一個多月。發送和接收訊號需持續供電,否則電量耗盡蟑螂就能自由來去,會讓人血壓升高。

研究團隊又在蟑螂腹部安裝電池充電用超薄太陽能電池模組,讓蟑螂逃不出掌心。功率輸出達 17.2mW,比最先進活體昆蟲能量收集裝置高約 50 倍。

(Source:Nature,下同)

考慮到腹部運動時會變形,不讓太陽能電池模組阻礙蟑螂行動,研究團隊測試許多種電子薄膜,最終採用比人類頭髮細約 17 倍的 0.004 公釐薄膜,約可在蟑螂腹部黏一個月。

這也是本次研究較半機械昆蟲前輩多出的優點──長時間控制蟑螂。一切準備就緒,就能用無線遙控系統,遠端對蟑螂為所欲為。按下按鈕,叫牠右轉,就絕不會左轉。

研究團隊指出,有朝一日,這些蟑螂可用來監測環境或災後搜索救援,抵達人類難以到達的地方。但目前研究成果只有無線運動控制系統,還沒有搭配感測器和鏡頭,且鏡頭需要更多電力,就算能用,解析度也會非常低。所以現在只能給人純粹控制小強的成就感,或拿去嚇人惡作劇。

因有超薄太陽能電池,未來可期待更多昆蟲加入,研究團隊看好的有甲蟲和蟬。想像人類談笑間指揮一支半機械昆蟲隊伍,場面會有多壯觀。當然前提是蟲蟲不會失去控制。

不過蟑螂行動違背自我意願,是否很痛苦?研究人員指出,據昆蟲相關研究,蟑螂沒有痛覺,再說你大概也不在意蟑螂是否會痛。

人才輩出的生化小強界

再來看看生化蟑螂的「前浪」,個個非等閒之輩。早在 2012 年,北卡羅來納州立大學研究人員就對蟑螂下手了,主角同樣是大型馬達加斯加蟑螂。

當微控制器連接到蟑螂觸角和後部感覺器官,電荷會使蟑螂認為撞到東西或遭威脅,移動到想讓牠走的方向,甚至是規劃好路線。蟑螂可能以為這是自由意志,實則由人類遠端控制。而這目的是狹小空間尋找災難倖存者。

2018 年康乃迪克大學研究團隊創造微電路,控制蟑螂的方式也是讓蟑螂認為碰到障礙物。比起前人,這次微電路更可靠精確控制半機械昆蟲。能檢測蟑螂六度自由運動、線性和旋轉加速度,以及周圍溫度,因溫度會影響昆蟲移動方式和位置。電氣和計算機工程助理教授 Dutta 寄予厚望:從搜索、救援到國防,半機械昆蟲有大量應用,但現在仍處於「幼蟲」階段,將來高科技兄弟可能會拯救你的生命。

半機械蟑螂還有更多使命。2013 年前後,神經科學家 Greg Gage 推出「蟑螂意念控制器」RoboRoach,當成教育體驗,幫助學生初步了解神經網路。世上有太多無法治癒的神經疾病,學習神經科學又有一定門檻,RoboRoach 這類工具是為了讓學生更早學習神經科學,或許有人就成為解決問題的科學家和工程師。

▲ 蟑螂手術用具。(Source:BackyardBrains

讓蟑螂戴好控制單元、電池和電極,學生透過免費 App,微刺激蟑螂觸角神經,短暫無線控制蟑螂左右運動,並記錄神經系統組織變化。

Greg Gage 表示,這對蟑螂不是痛苦的體驗,適應也很快。簡言之,沒有一隻蟑螂受到傷害。當把蟑螂放回籠子約 20 分鐘,牠們就會「忘記」剛才經歷,然後刺激再次發揮作用;約 2~7 天後刺激會完全失效,蟑螂不再任你擺布,可以「功成身退」了。

提醒一下,假如想買 RoboRoach,蟑螂並不附送,但可單獨訂購南美蟑螂,一盒三隻。

蟑螂的多種用途

不負「打不死的小強」之名,半機械蟑螂以外,蟑螂還有許多種用法。先說說或許最不能接受的一種。

南韓導演奉俊昊電影《末日列車》用蟑螂做成蛋白塊,體現底層居民的生存狀態。昆蟲富含蛋白質,蟑螂繁殖能力又強,如果真的別無選擇,當末日口糧未嘗不可。據說奉俊昊要求蛋白質塊要像蟑螂翅膀黑色但透亮,實際是由海帶和糖製成,雖很多演員儘管知情,但對這種黏軟物體仍難以下嚥。

電影只是蛋白質塊,現實卻真的有「蟑螂麵包」。2017 年巴西研究人員推出增強蛋白質麵包,富含乾燥、粉碎和過篩灰質蟑螂,結論是「使用灰質蟑螂麵粉,是不改變品質下豐富小麥麵包的有效方法」。

光啃麵包不免口乾舌燥,不如喝杯「蟑螂奶」。是的,「蟑螂奶」也真實存在。2018 年報導,「蟑螂奶」源自太平洋甲蟲蟑螂的結晶體,「蟑螂奶」的蛋白質是一般牛乳 4 倍,還有促進生長的氨基酸和人體所需脂肪和醣類。不過從蟑螂萃取分泌物要比擠牛奶難多了,研究人員需剖開雌蟑螂腹部,取出胚胎和內臟,再用移液管抽出結晶狀分泌物,1 千隻蟑螂只能榨出 100 克蟑螂奶。

就算有實境節目《荒野求生》主持人的特大顆心臟,嘗試還得冒風險,目前還沒完全證明「蟑螂奶」對人體完全無害。

和蟑螂搏鬥的過程,我們都知道蟑螂的運動能力不可小覷。這種天賦是很多科學家的「繆斯」,就像加州大學柏克萊分校教授 Robert Full 所說,「基於進化的古老工程,建造明天的機器人」。

當蟑螂穿過細小裂縫,可將身體壓到僅兩個硬幣高,承受體重 900 倍的力。藉研究這種「極端表現」,以及蟑螂靈活外骨骼和多刺腿,哈佛大學博士後研究員 Kaushik Jayaram 設計了手掌大小的機器人 CRAM。CRAM 是有鉸接機構的可壓縮機器人,能擠入並穿過只有身體一半高度的裂縫,未來可在龍捲風、地震和爆炸造成的廢墟搜索和救援。

蟑螂腿則為人類義肢設計提供靈感,彈性力學啟發如何設計機械手臂抓握動作。哈佛大學生物機器人實驗室的研究便是參考蟑螂腿,製造出「沿著物體滑動直到包住物體」的手臂,類似舉起咖啡杯。

蟑螂已活了 3 億多年,和恐龍是同時代朋友,而現在還在污水道、垃圾場等病原體密集的地方安居樂業,頑強的生命力絕非偶然,所以醫學領域,蟑螂也有不少貢獻。研究發現蟑螂檢測到潛在有害微生物時,身體會產生阻止病原體的蛋白質。十年裡科學家成功分離出各種蟑螂產生的抗菌蛋白,並測試對抗鏈球菌、大腸桿菌、沙門氏菌等細菌的能力。不恰當的比喻,蟑螂可能是人類「對抗超級細菌所需的超級細菌」。

蟑螂確實有許多用處,不過偶遇時還是讓人起雞皮疙瘩,殺心大起,伴隨頭皮發麻、汗毛直豎等症狀。但研究是研究,生活是生活,我們不必喜歡蟑螂,正如 Kaushik Jayaram 說的:「我不希望背包、臥室或食物旁邊有蟑螂。我不認為蟑螂很可愛,但牠們創造了偉大的科學模型。廣義來講,大自然擁有龐大的設計資料庫。」

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:Nature

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