仿生機(jī)器動(dòng)物

鮑勃·福爾摩斯

機(jī)器隼

蜜蜂通過(guò)跳舞引導(dǎo)蜂巢中的同伴找到新的食物源;孔雀魚(yú)會(huì)與同伴們協(xié)商領(lǐng)導(dǎo)權(quán);當(dāng)隼來(lái)襲時(shí)，信鴿會(huì)進(jìn)行集體躲避。自從動(dòng)物行為研究出現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)家們一直在研究諸如此類(lèi)的社交互動(dòng)。如今，他們的研究有了新的變化——研究對(duì)象不僅有活體動(dòng)物，還有機(jī)器動(dòng)物。在研究人員的控制下，這些機(jī)器動(dòng)物會(huì)在實(shí)驗(yàn)中與有血有肉的活體動(dòng)物互動(dòng)?？茖W(xué)家們希望這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈娜碌慕嵌冉沂荆耗男┮蛩啬艽偈箍兹隔~(yú)成為社交能手？蜜蜂是如何向同伴傳達(dá)信息的？以及，動(dòng)物的社交生活還有哪些其他特征？

這聽(tīng)起來(lái)可能有些不尋常，但事實(shí)上，相關(guān)研究早已開(kāi)啟。機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算能力的進(jìn)步意味著工程師可以制造出足夠逼真的機(jī)器動(dòng)物，使動(dòng)物們將其視作同類(lèi)并作出反應(yīng)?！白銐虮普妗钡谋普娉潭纫蜓芯繉?duì)象而異。有時(shí)機(jī)器動(dòng)物必須外表逼真，有時(shí)需要?dú)馕兑恢?，有時(shí)它只要能移動(dòng)就行。

與活體動(dòng)物相比，機(jī)器動(dòng)物有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)：它們會(huì)按照研究人員的指令，一次又一次以完全相同的方式去完成任務(wù)。這讓科學(xué)家們可以在一定程度上控制他們的實(shí)驗(yàn)，而其他任何方式都很難甚至不可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。“如果你能制造一個(gè)機(jī)器動(dòng)物，讓它作為眼線混進(jìn)一群動(dòng)物里，而動(dòng)物們又能接納這個(gè)機(jī)器動(dòng)物并把它當(dāng)作群體中的一員，然后你就可以讓機(jī)器動(dòng)物執(zhí)行任務(wù)，看看真正的動(dòng)物會(huì)有什么反應(yīng)。”紐約羅徹斯特大學(xué)的動(dòng)物認(rèn)知研究員多拉·比羅說(shuō)。

借助機(jī)器動(dòng)物，研究人員可以將各種因素分離開(kāi)來(lái)，例如魚(yú)的大小和它的經(jīng)驗(yàn)，而這些因素在真實(shí)動(dòng)物身上是無(wú)法分離的。他們可以讓真實(shí)動(dòng)物一遍又一遍地接受完全相同的刺激，從而加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。有時(shí)，他們還可以在完成目標(biāo)的同時(shí)避免動(dòng)物面對(duì)真正的捕食者或潛在的物種入侵風(fēng)險(xiǎn)。

以下是五種仿生機(jī)器動(dòng)物，研究人員正在利用它們研究和控制特定情況下真實(shí)動(dòng)物的社交互動(dòng)。

潛入蜂巢的機(jī)器蜂

著名的蜜蜂“搖擺舞”在60多年前已經(jīng)為人所知——返巢的工蜂在蜂巢入口附近按照特定路線快速移動(dòng)并振動(dòng)翅膀和身體，它們用這種方式來(lái)告訴同伴食物的位置。但研究人員仍不清楚它們蜂巢中的同伴們是如何對(duì)這些信息進(jìn)行解碼的?！靶盘?hào)的含義是什么？舞蹈中的哪些部分真正傳遞了信息？哪些只是無(wú)心的動(dòng)作？”柏林自由大學(xué)的機(jī)器人專(zhuān)家蒂姆·蘭德格拉夫問(wèn)道。他認(rèn)為，這些是機(jī)器蜂要完成的任務(wù)。

蘭德格拉夫制作了一個(gè)真蜜蜂大小的模型——一個(gè)帶有單翼的蜜蜂模樣的粗糙塑料球——并將其連接到一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，以便控制模型移動(dòng)、振動(dòng)的位置及方式。將機(jī)器蜂放進(jìn)蜂巢后，蘭德格拉夫發(fā)現(xiàn)，機(jī)器蜂確實(shí)可以引導(dǎo)真正的蜜蜂找到食物源，甚至是它們之前從未用過(guò)的食物源。這個(gè)結(jié)果是對(duì)理論的有力證明。

但機(jī)器蜂的成功并不可靠。蘭德格拉夫說(shuō)：“有時(shí)蜜蜂會(huì)在幾秒鐘內(nèi)跟隨，但有時(shí)卻需要幾天的時(shí)間，而我們無(wú)法解釋原因?！彼庾R(shí)到，這其中還有一個(gè)他從未考慮過(guò)的問(wèn)題——蜜蜂如何從跳舞的工蜂中選出自己要跟隨的那一個(gè)，以及怎么決定要在何時(shí)跟隨。他想知道，潛在的追隨者們是否在積極尋找有關(guān)食物來(lái)源的信息，還是舞蹈者必須以某種方式說(shuō)服它們？是否只有少數(shù)具備經(jīng)驗(yàn)的工蜂才能明白所有特定的信號(hào)？

為了解答這些問(wèn)題，蘭德格拉夫和他的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一種升級(jí)版的機(jī)器蜂——它具有更真實(shí)的氣味和更可靠的翅膀振動(dòng)機(jī)制，可以進(jìn)入一個(gè)布滿獨(dú)特標(biāo)記的蜜蜂蜂巢——并希望可以借此追溯活體蜜蜂的經(jīng)歷。盡管新冠疫情延誤了時(shí)間，他們最終還是開(kāi)始了系統(tǒng)測(cè)試，只是暫未得到結(jié)果。不過(guò)，蘭德格拉夫說(shuō)：“我估計(jì)，我們很可能會(huì)有一些新發(fā)現(xiàn)。”

當(dāng)隼來(lái)襲時(shí)，一群鴿子會(huì)有什么反應(yīng)？經(jīng)典的“自私牧群原理”假設(shè)，每只鴿子都會(huì)在遇襲時(shí)努力擠進(jìn)鴿群中間，從而導(dǎo)致捕食者帶走其他不幸的同伴。但這個(gè)想法并不容易驗(yàn)證。隼的每一次攻擊都不相同——起始位置的高度及角度都可能不同，而所有這些變化都會(huì)影響鴿子的反應(yīng)。因此，英國(guó)?？巳卮髮W(xué)的行為生態(tài)學(xué)家丹尼爾·?；_(kāi)始使用機(jī)器隼。

“這種可控的方式非常利于研究?！鄙；f(shuō)，“你可以確保在放飛鴿子時(shí)，隼總是正好落后20米，并且可以重復(fù)操作。”此外，他指出，機(jī)器隼對(duì)鴿子來(lái)說(shuō)更安全?！皳?jù)我所知，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一只訓(xùn)練有素的隼消滅了一群鴿子的事。”

一名隼愛(ài)好者用他的機(jī)器隼幫助了?；?。除了多出一個(gè)驅(qū)動(dòng)它的螺旋槳，這只機(jī)器隼的外表可謂栩栩如生。?；磸?fù)“攻擊”了一群信鴿，同時(shí)通過(guò)GPS跟蹤每只鴿子的位置。他發(fā)現(xiàn)，與“自私牧群原理”相反，鴿子在受到攻擊時(shí)并沒(méi)有努力往鴿群中間擠。

機(jī)器隼“攻擊”鴿群。

此外，?；姆治霰砻?，這些鴿子大多試圖與同伴同向飛行，這樣鴿群就能一致躲避攻擊，而不會(huì)有任何鴿子掉隊(duì)落入捕食者的手中?！斑@表明，它們可以通過(guò)團(tuán)結(jié)協(xié)作一起逃離捕食者，并且不犧牲任何同伴?！鄙；f(shuō)。雖然沒(méi)有確鑿的證據(jù)，但這表明鴿群可能是有合作精神的，它們并不自私。

魚(yú)群里的哪條魚(yú)最有可能成為首領(lǐng)？大多數(shù)研究表明，體型較大的魚(yú)往往對(duì)魚(yú)群的前進(jìn)方向影響較大。大魚(yú)通常更年長(zhǎng)、更有經(jīng)驗(yàn)，而且它們的行為也與魚(yú)群中的小魚(yú)不同。但這些因素中的哪一個(gè)對(duì)成為魚(yú)群首領(lǐng)影響最大？這很難用真正的魚(yú)來(lái)測(cè)試?！澳阍趺床拍茏屢粭l大魚(yú)表現(xiàn)得像一條小魚(yú)呢？這些都只能用機(jī)器動(dòng)物來(lái)測(cè)試?！卑亓趾楸ご髮W(xué)的動(dòng)物行為學(xué)家延斯·克勞澤說(shuō)。他在2021年的《控制方法、機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)系統(tǒng)年評(píng)》中與人合作撰寫(xiě)了行為學(xué)研究中有關(guān)機(jī)器動(dòng)物的綜述。

克勞澤和他的同事研發(fā)了機(jī)器魚(yú)——一種安裝在磁性底座上的3D打印孔雀魚(yú)模型，由水箱下方的電動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的攝像機(jī)可以讓機(jī)器魚(yú)即時(shí)對(duì)同伴們的行為作出回應(yīng)。

魚(yú)群將機(jī)器魚(yú)視作了同類(lèi)。

他們發(fā)現(xiàn)，只要模型有眼睛并且色彩圖案與真魚(yú)大致相似，孔雀魚(yú)就會(huì)把模型當(dāng)作普通活體魚(yú)，并作出反應(yīng)。這讓研究人員能夠在保持其他條件相同的情況下，更換更大或更小版本的機(jī)器魚(yú)，以便單獨(dú)研究體型大小的影響。他們發(fā)現(xiàn)，孔雀魚(yú)果然傾向于追隨個(gè)頭更大的機(jī)器魚(yú)首領(lǐng)。該團(tuán)隊(duì)還使用機(jī)器魚(yú)來(lái)研究個(gè)體魚(yú)的行進(jìn)速度如何影響群體行為。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)關(guān)于魚(yú)群首領(lǐng)的令人驚訝的事實(shí)：社交禮節(jié)很重要。他們?cè)缙诎姹镜目刂瞥绦驎?huì)導(dǎo)致機(jī)器魚(yú)過(guò)于靠近同伴，這迫使真正的魚(yú)后退以保持距離?！拔覀冇幸恍C(jī)器魚(yú)還會(huì)追逐活體魚(yú)?！笨藙跐苫貞浀?。后來(lái)，團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)器魚(yú)進(jìn)行了調(diào)整，以便讓它們保持禮貌的社交距離。而新版的“社交能手”機(jī)器魚(yú)用事實(shí)證明，它們?cè)谖冯S者方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

先前的研究都是讓機(jī)器動(dòng)物進(jìn)入活體動(dòng)物群，以刺激活體動(dòng)物作出反應(yīng)。此外，還有一種單獨(dú)使用機(jī)器動(dòng)物來(lái)解析動(dòng)物行為的方法：對(duì)一群機(jī)器動(dòng)物進(jìn)行編程，使其遵循你所知的真實(shí)動(dòng)物的行為規(guī)律，看看它們是否能復(fù)刻真實(shí)動(dòng)物的行為方式。

這就是哈佛大學(xué)集體行為研究員賈斯汀·韋費(fèi)爾所采用的方法。韋費(fèi)爾想了解白蟻是如何建造如此復(fù)雜的蟻丘的，這些蟻丘因?yàn)槿肟谔幍臏喜坳嚵卸劽?。他把研究焦點(diǎn)集中于建造過(guò)程中的一個(gè)特定步驟——白蟻如何為從蟻丘中挖掘出來(lái)的土選擇傾倒地點(diǎn)。這個(gè)簡(jiǎn)單的判斷決定了蟻丘入口的復(fù)雜形狀。

韋費(fèi)爾和同事們獲得的一些證據(jù)表明，白蟻可能會(huì)在蟻丘內(nèi)部高濕度區(qū)域與地表干燥空氣的交界處傾倒泥土，這是它們家園邊界的一個(gè)很好的標(biāo)志。但他們不知道白蟻的倒土行為是否也受其他因素影響。

所以他們制作了一群機(jī)器白蟻。由于機(jī)器白蟻不必與真正的昆蟲(chóng)互動(dòng)，它們不必顯得栩栩如生。相反，這些機(jī)器白蟻其實(shí)是磚塊大小的推車(chē)，它們可以在平坦的表面上運(yùn)送和卸下彩色積木。每只“白蟻”都攜帶著一個(gè)濕度傳感器，程序會(huì)操控它們?cè)跐穸雀邥r(shí)攜帶積木，在濕度下降時(shí)卸下積木。與此同時(shí)，當(dāng)每只“白蟻”移動(dòng)時(shí)，會(huì)有一個(gè)倉(cāng)鼠管道不斷地滴水，以確保機(jī)器白蟻占領(lǐng)區(qū)的濕度更高。

科學(xué)家利用機(jī)器白蟻研究白蟻的蟻丘和倒土行為。

“我們知道機(jī)器白蟻只關(guān)注濕度，因?yàn)檫@是我們給它們的指令?！表f費(fèi)爾說(shuō)。事實(shí)證明，這就足夠了。因?yàn)樽罱K，機(jī)器蟻群在它們的“蟻丘”入口卸下了積木，它們甚至像真正的白蟻一樣，在有風(fēng)的日子里封閉了入口。當(dāng)然，韋費(fèi)爾指出，雖然這并不能證明白蟻是完全根據(jù)濕度規(guī)則來(lái)建造蟻丘的，但卻可以表明，這樣的規(guī)則足以讓它們完成任務(wù)。

仿生機(jī)器動(dòng)物不僅能揭示動(dòng)物的行為秘密，它們可能很快會(huì)被用在特定領(lǐng)域操縱活體動(dòng)物。

食蚊魚(yú)原產(chǎn)于美國(guó)南部，現(xiàn)已成為全球百大入侵物種之一。西澳大利亞大學(xué)的行為生態(tài)學(xué)家喬瓦尼·波爾維里諾決定以一種不尋常的方式控制仿生機(jī)器動(dòng)物。

科學(xué)家試圖用機(jī)器大嘴鱸魚(yú)恐嚇入侵物種食蚊魚(yú)。

波爾維里諾和他的同事們制作了一種機(jī)器魚(yú)，把它設(shè)計(jì)成大嘴鱸魚(yú)的樣子。在食蚊魚(yú)的原生水域中，大嘴鱸魚(yú)是它們的主要捕食者?？蒲腥藛T對(duì)機(jī)器魚(yú)進(jìn)行編程，使其氣勢(shì)洶洶地游向食蚊魚(yú)，希望以此恐嚇入侵物種，同時(shí)又不影響到澳大利亞的本土物種。（許多野生動(dòng)物都會(huì)表現(xiàn)出持久的恐懼反應(yīng)。）

而這正是他們所看到的：每周僅與機(jī)器捕食者接觸15分鐘，食蚊魚(yú)體內(nèi)的脂肪就會(huì)減少，用來(lái)逃生的能量增加，而用來(lái)繁殖的能量也相應(yīng)減少?！八鼘?duì)食蚊魚(yú)的影響是巨大的，但其他物種卻一點(diǎn)也不害怕，因?yàn)槲覀儚?fù)制了一種在澳大利亞不存在的捕食者?！辈柧S里諾說(shuō)。

在將他的人造捕食者投放到現(xiàn)實(shí)世界之前，波爾維里諾還有很多工作要做?！拔覀兊臋C(jī)器魚(yú)在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)良好。”他說(shuō)，“不過(guò)，這是在附近設(shè)有一臺(tái)電腦、水箱上方裝有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭并且配備了電池的情況下實(shí)現(xiàn)的?！?/p>

即便如此，他仍決定與昆士蘭州的一個(gè)國(guó)家公園進(jìn)行協(xié)商，因?yàn)樵谀抢镄《宄旱乃刂猩钪鴥煞N瀕臨滅絕的魚(yú)類(lèi)，而最近食蚊魚(yú)占領(lǐng)了水池。水池很小，這也許能為首次野外測(cè)試提供良好的環(huán)境。“目前還沒(méi)有作好準(zhǔn)備，”波爾維里諾說(shuō)，“但這件事是可以嘗試的?！?/p>

當(dāng)然，當(dāng)研究人員試圖將機(jī)器動(dòng)物融入真實(shí)動(dòng)物群體時(shí)，很多事情都可能出錯(cuò)——有時(shí)，導(dǎo)致失敗的原因一點(diǎn)都不復(fù)雜。例如，當(dāng)比羅試圖制作一只機(jī)器鴿來(lái)研究信鴿群的集體決策時(shí)，該機(jī)器鴿的飛行速度卻無(wú)法跟上真正的鴿群。盡管如此，以新方式測(cè)試動(dòng)物行為的機(jī)會(huì)仍然讓她充滿期許，她希望某一天能再?lài)L試一次?！叭绻覀兡茏屵@一切都正常運(yùn)作，那么接下來(lái)就會(huì)有各種各樣有趣的事情等著我們?nèi)プ?。”比羅說(shuō)，“這正是我一直期盼的?！?/p>

[編譯自美國(guó)《史密森尼》]

編輯：馬果娜