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昆蟲有更簡(jiǎn)單的神經(jīng)肌肉通路以及更容易侵入性刺激周圍神經(jīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，使得他的肌肉更容易被控制，從而更受科學(xué)家們關(guān)注。
近日，大阪大學(xué)的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一只機(jī)器人蟑螂，并利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)機(jī)器人蟑螂進(jìn)行自動(dòng)刺激，從而優(yōu)化了它的運(yùn)動(dòng)。這是一個(gè)全新的理念下誕生的新產(chǎn)品，以往的仿生機(jī)器人都采取利用其他材質(zhì)模仿動(dòng)物而造出來(lái)的機(jī)器人本體，而這次則是在動(dòng)物身上直接加入了科技元素，是動(dòng)物與機(jī)器人的融合。
數(shù)百年的進(jìn)化史賦予了自然界的動(dòng)物在惡劣環(huán)境中生存的能力，如果能利用這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合人類的機(jī)械科學(xué)技術(shù)，將是突破現(xiàn)有機(jī)器人領(lǐng)域的瓶頸的新道路。
昆蟲有更簡(jiǎn)單的神經(jīng)肌肉通路以及更容易侵入性刺激周圍神經(jīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，使得他的肌肉更容易被控制，從而更受科學(xué)家們關(guān)注。于是，科學(xué)家們嘗試在蟑螂的尾絲植入電極，通過(guò)電信號(hào)刺激蟑螂，使得蟑螂可以根據(jù)控制者的想法動(dòng)起來(lái)。
蟑螂這類的生物喜歡在黑暗的地方活動(dòng)，有人說(shuō)這是畏光，其實(shí)這是深深刻在他們基因中的一種生活習(xí)性。那么這樣的習(xí)性能否被人為改變呢?能否讓蟑螂無(wú)論晝夜都可以擁有一樣的行動(dòng)能力呢?
答案是肯定的。直接在這些動(dòng)物身上構(gòu)建可控機(jī)器，通過(guò)將刺激電極植入它們的大腦或周圍神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)控制它們的運(yùn)動(dòng)，甚至可以通過(guò)監(jiān)視器看到它們所看到的，這就是所謂的半機(jī)械生物。
蟑螂具有驚人的運(yùn)動(dòng)能力，明顯優(yōu)于任何類似大小的仿生機(jī)器人。因此，具有這種敏捷運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人蟑螂更適合在傳統(tǒng)機(jī)器人難以進(jìn)入的未知環(huán)境中執(zhí)行搜索和救援任務(wù)。
然而，由于蟑螂是夜行性動(dòng)物，在夜間或黑暗中更為活躍，在某些情況下，他們懶得從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方或傾向于靜止不動(dòng)，尤其是在角落區(qū)域。這將會(huì)限制了機(jī)器人蟑螂在未知環(huán)境下的搜索和救援效果，同時(shí)也很難在黑暗的環(huán)境中通過(guò)mini攝像機(jī)把實(shí)時(shí)畫面?zhèn)魉偷奖O(jiān)視器上，因此，需要優(yōu)化它們的運(yùn)動(dòng)，以便在各種情況下使用機(jī)器人昆蟲。
研究人員使用慣性測(cè)量單元(IMU)來(lái)捕捉半機(jī)械人昆蟲的線加速度和角速度，利用IMU測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，根據(jù)收集得到的數(shù)據(jù)，利用蟑螂的電子背包進(jìn)行控制，提高蟑螂的搜索速度和行進(jìn)距離，并減少蟑螂在有界空間中的停留時(shí)間，達(dá)到預(yù)期效果。
研究人員首先將蟑螂浸入小塊冰中30分鐘以進(jìn)行麻醉，利用這個(gè)時(shí)間在蟑螂的將鉑電極植入胸腔、右側(cè)尾骨和左側(cè)尾骨。使用54mm母頭5針單排排作為蟑螂與電子背包之間的連接器。連接器粘在蟑螂胸部段上。直徑為 0.26 mm 的鍍錫軟銅線(單線)用作從植入的鉑到插頭引腳連接器的導(dǎo)線延伸。
這種使用電刺激的方法是比較有進(jìn)步空間的解決方案，由AI算法通過(guò)機(jī)載測(cè)量確定的數(shù)據(jù)可以更好地解決機(jī)器人靈活性和自由度的問(wèn)題。科學(xué)家們不必像控制機(jī)器人那樣控制蟑螂，而是依靠蟑螂自身的活動(dòng)能力稍加刺激便可以。比如在救援場(chǎng)景中，只需要轉(zhuǎn)動(dòng)他的身體，或者在方向錯(cuò)誤時(shí)對(duì)蟑螂進(jìn)行刺激，就可以使蟑螂按照自己的習(xí)性和控制人員想要的方向向一些難以進(jìn)入的地方出發(fā)。
據(jù)了解，在蟑螂身上配備了這樣的系統(tǒng)后，機(jī)器人蟑螂成功地將其平均搜索率和移動(dòng)距離分別提高了68%和70%，同時(shí)停止時(shí)間減少了78%。研究人員在接受采訪時(shí)表示：“我們已經(jīng)證明，對(duì)蟑螂的尾絲進(jìn)行電刺激觸發(fā)馬達(dá)的自由行走是可行的;它可以克服其先天習(xí)性，例如，在通常會(huì)減少運(yùn)動(dòng)的黑暗和寒冷環(huán)境中增加運(yùn)動(dòng)。"
雖然研發(fā)朝著積極的方向發(fā)展，但距離真正投入使用還有一段距離。有個(gè)有意思的問(wèn)題是，例如地震的救援，遇害人在廢墟底下等待救援時(shí)心理已經(jīng)很脆弱，若這時(shí)候在他的附近突然出現(xiàn)一只蟑螂，可能會(huì)加劇他恐懼的心理，嚴(yán)重者甚至有可能打破心理防線，產(chǎn)生絕望或者放棄的心理;若是進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援，火場(chǎng)上的高溫等惡劣環(huán)境下蟑螂是否還是正確的載體，電子元件在如此高溫的環(huán)境下工作性能如何，這都是有待考證的問(wèn)題。
如今，各式各樣的機(jī)器人正在開發(fā)中，研發(fā)人員們嘗試各種思路研發(fā)新型機(jī)器人，為了使機(jī)器人具備更加廣闊的用途和打開更加龐大的市場(chǎng)。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，再過(guò)20年，機(jī)器人與人類的比例將會(huì)達(dá)到4:1.也就是每個(gè)人都被4個(gè)機(jī)器人所服務(wù)著，這將對(duì)機(jī)器人功能、性能和用途提出更大的要求。
生物反應(yīng)器的工藝性能設(shè)計(jì)解讀
生物反應(yīng)器工藝性能表征是指：對(duì)微生物/細(xì)胞培養(yǎng)所處的微環(huán)境的評(píng)價(jià)，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是對(duì)生物反應(yīng)器混合和傳質(zhì)方面的評(píng)價(jià)，同時(shí)考量微環(huán)境對(duì)細(xì)胞的剪切力。基于對(duì)大量的不同類型的生物反應(yīng)器進(jìn)行工藝性能測(cè)試，以及專門地有針對(duì)性的工藝性能研究，同時(shí)有CFD工具的輔助，可以很好地服務(wù)于新建生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程。
在新建生物反應(yīng)器的機(jī)械特征設(shè)計(jì)方面
在積累大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以在前期設(shè)計(jì)階段—即生物反應(yīng)器系統(tǒng)還沒有開始制造的時(shí)候就虛擬地模擬細(xì)胞培養(yǎng)的微環(huán)境，并將現(xiàn)有的細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境虛擬化地平行轉(zhuǎn)移至新設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器系統(tǒng)上。在生物反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候先根據(jù)客戶對(duì)生物反應(yīng)器生產(chǎn)工藝的期望，以及生物反應(yīng)器工藝性能指標(biāo)和機(jī)械特征的關(guān)聯(lián)，預(yù)先設(shè)置大概的機(jī)械設(shè)計(jì)特征，然后再進(jìn)行工藝性能迭代，確定最終的機(jī)械設(shè)計(jì)特征，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)工藝進(jìn)行平行轉(zhuǎn)移的考量，從而可以基于期望的工藝表現(xiàn)和細(xì)胞培養(yǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出合理的生物反應(yīng)器系統(tǒng)。
在生物反應(yīng)器的放大和縮小方面
生物反應(yīng)器同樣可以進(jìn)行虛擬的工藝性能放大和縮小。同一生產(chǎn)線不同規(guī)模反應(yīng)器之間虛擬地進(jìn)行工藝放大和縮小的迭代，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)工藝微環(huán)境進(jìn)行放大或縮小的考量。具體涉及到攪拌器的設(shè)計(jì)在放大和縮小過(guò)程的考量、通氣速率的縮放。不同規(guī)模的反應(yīng)器數(shù)據(jù)并不是直接的計(jì)算，而是來(lái)源于精確的模型，用于在設(shè)計(jì)/縮放中預(yù)測(cè)操作條件。
攪拌設(shè)計(jì)的放大和縮小在整個(gè)上游工藝中采用同一種類型/設(shè)計(jì)的攪拌在工藝設(shè)計(jì)中是很常見的做法。這個(gè)方法的挑戰(zhàn)是葉尖線速度和比輸入功率不是以相同的比率進(jìn)行縮放的。在通氣速率的縮放方面，縮放參數(shù)vvm（每分鐘的比體積通氣量）廣泛應(yīng)用于各種反應(yīng)器來(lái)計(jì)算通氣速率，通氣速率對(duì)整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)的影響包括氣含率、氣泡尺寸分布以及停留時(shí)間這些難以用單個(gè)參數(shù)進(jìn)行放大的復(fù)雜變量。對(duì)于上游工藝的測(cè)量值表明，用vvm進(jìn)行縮放的反應(yīng)器，種子反應(yīng)器的kla值會(huì)低于生產(chǎn)反應(yīng)器。
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