能直接把生物耳朵“接”在機(jī)器人身上嗎？

通俗來(lái)講，要想讓機(jī)器人 “聽(tīng)見(jiàn)”，就需要麥克風(fēng)陣列將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，獲得聲音包含的信息。

當(dāng)然，打造機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。

機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)需要傳感、機(jī)械、控制等因素的協(xié)調(diào)配合，可謂涵蓋了多個(gè)學(xué)科，要想做到像人耳那樣（能聽(tīng)辨出聲音類(lèi)型、內(nèi)容、來(lái)源、遠(yuǎn)近、方位等）是一件困難的事情。

那么，既然模仿生物耳朵不易，那么直接把生物耳朵 “接”在機(jī)器人身上，可行嗎？

其實(shí)，這個(gè)有點(diǎn)兒古怪甚至可以說(shuō)是殘忍的想法來(lái)自于以色列特拉維夫大學(xué)的一個(gè)研究小組。

前不久，該團(tuán)隊(duì)題為 Ear-Bot: Locust Ear-on-a-Chip Bio-Hybrid Platform（耳朵機(jī)器人：蝗蟲(chóng)耳朵芯片生物混合平臺(tái)）的研究成果正式發(fā)表于《傳感器》雜志。

生物耳朵有何優(yōu)勢(shì)？

這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)選定的主角是蝗蟲(chóng)。

原因在于，經(jīng)過(guò)數(shù)億年的進(jìn)化，昆蟲(chóng)已經(jīng)獲得了一些自然界中最為高效強(qiáng)大的感知器官，如果把這些感知器官視作傳感器，那么相比眾多人造傳感器，這種傳感器的優(yōu)勢(shì)在于體積小、重量輕、功耗低、可適用于多變的環(huán)境。

尤其是在聽(tīng)覺(jué)方面，昆蟲(chóng)的聽(tīng)覺(jué)傳感器經(jīng)過(guò)多次進(jìn)化，已經(jīng)可以發(fā)揮場(chǎng)景分析、交流的功能，有著高度的多樣性，具體來(lái)看：

形態(tài)上，其耳朵可以是近場(chǎng)敏感的觸角，也可以是遠(yuǎn)場(chǎng)敏感的鼓膜。

功能上，可以是窄帶過(guò)濾器（蚊子），也可以是寬帶傳感器（夜蛾）。

神經(jīng)處理上，可以只有一個(gè)神經(jīng)元（夜蛾），也可以有數(shù)千個(gè)干預(yù)神經(jīng)元（雄性蚊子耳朵有 15000 個(gè)神經(jīng)元）。

而沙漠蝗蟲(chóng)耳朵較為敏感，所涵蓋的頻率范圍廣，可以被作為一個(gè)很好的從神經(jīng)系統(tǒng)讀取電生理信息的模型。

研究團(tuán)隊(duì)表示：

目前為止，還沒(méi)有哪項(xiàng)研究證明生物混合機(jī)器人平臺(tái)（bio-hybrid robotic platform）能夠通過(guò)生物傳感器對(duì)聲音做出反應(yīng)。在機(jī)器人平臺(tái)上加入生物傳感器，可以有兩方面優(yōu)勢(shì)，一是可以將其行為、能力與特征鮮明的自然蝗耳進(jìn)行比較，二是可以將其與純粹的技術(shù)設(shè)備（麥克風(fēng)陣列）進(jìn)行比較。

把蝗蟲(chóng)耳朵 “接”在機(jī)器人身上

研究團(tuán)隊(duì)是如何做的呢？

論文顯示，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)生物混合平臺(tái) Ear-Bot，它集成了沙漠蝗蟲(chóng)的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)作為傳感輸入，與一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)相連接。

通俗來(lái)講就是，打造一個(gè)蝗蟲(chóng)耳朵芯片 Ear-Chip，將其作為機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)傳感器。

在這個(gè)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)利用到了微生理系統(tǒng)（MPS，也稱(chēng)芯片上的器官 OoC）的最新發(fā)展，也就是 “人體器官芯片技術(shù)”。

人體器官芯片是一項(xiàng)新興的前沿技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)講就是指一種在載玻片大小的芯片上構(gòu)建的器官生理微系統(tǒng)，包含著活體細(xì)胞、組織界面、生物流體等器官微環(huán)境的關(guān)鍵要素，因此可以在體外模擬人體組織器官的主要結(jié)構(gòu)功能特征以及器官間的聯(lián)系。人體器官芯片技術(shù)背后是多學(xué)科的交叉匯聚，曾在 2016 年被列為十大新興技術(shù)之一。

其實(shí)，Ear-Chip 的設(shè)計(jì)能使得蝗蟲(chóng)耳朵長(zhǎng)期存活，同時(shí)也保證了它能被放置在移動(dòng)的小型機(jī)器人平臺(tái)上（如下圖 a 所示）。

值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò) SolidWorks CAD 軟件對(duì)芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后通過(guò) 3D 打印生物相容性牙科透明樹(shù)脂進(jìn)行芯片的制作，最終成功地創(chuàng)造了一種持久的微型感應(yīng)裝置。

基于此，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了模塊化的組織支持和信號(hào)分析自定義算法。

同時(shí)，Ear-Bot 還配備了定制電極，可測(cè)量耳朵的電生理反應(yīng)，并將其傳遞給機(jī)器人。如上圖 b 所示，機(jī)器人還集成了處理信號(hào)和運(yùn)行不同算法所需的所有電子設(shè)備（包括前置放大器、電路板等）。

除了定制芯片 Ear-Chip 和電極以外，該機(jī)器人平臺(tái)還包括一個(gè)信號(hào)放大器、一個(gè)控制器和信號(hào)處理器系統(tǒng)（CSPS）

響應(yīng)來(lái)自不同方向和距離的聲音

那么，具體效果如何？

實(shí)驗(yàn)表明，Ear-Bot 對(duì)聲音的響應(yīng)與使用麥克風(fēng)作為輸入所展示的響應(yīng)類(lèi)似。

研究人員拍拍手，蝗蟲(chóng)耳朵就會(huì)識(shí)別出聲音并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其傳輸至機(jī)器人的電生理測(cè)量系統(tǒng)、控制器和信號(hào)處理系統(tǒng)。

值得一提的是，Ear-Bot 系統(tǒng)能夠在混雜的噪聲中區(qū)分出電機(jī)和拍手的聲音。

也就是說(shuō)，蝗蟲(chóng)耳朵對(duì)各種頻率都較為敏感，可對(duì)真實(shí)的聲音做出反應(yīng)。如下圖所示，其最佳響應(yīng)在 3.5 kHz（±2）左右，對(duì)來(lái)自不同方向的聲音的響應(yīng)無(wú)顯著變化，且對(duì)距離在 5-35cm 之間的聲音響應(yīng)無(wú)差異。

可見(jiàn)，Ear-bot 能夠?qū)?lái)自不同方向和距離的聲音做出反應(yīng)。

對(duì)于上述研究成果，論文合著者之一 Ben M. Maoz 博士表示：

我們應(yīng)當(dāng)更為深入地去挖掘、利用自然界的現(xiàn)象和規(guī)律，我們證明的這一原理其實(shí)還可以用于其他感官，例如氣味、視覺(jué)和觸覺(jué)等。例如，某些動(dòng)物在發(fā)現(xiàn)爆炸物、毒品方面有著驚人的能力，或許我們可以創(chuàng)建具有生物鼻子的機(jī)器人。

無(wú)疑，自然往往先于科研一步，期待科學(xué)家們以自然為靈感，帶來(lái)更多前沿科技進(jìn)展。

原文標(biāo)題：給機(jī)器人裝上蝗蟲(chóng)耳朵，以色列科學(xué)家實(shí)現(xiàn)生物傳感器新突破

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