驾驶方向盘的蘑菇

据说自动驾驶汽车比人类驾驶员更安全，但你会信任驾驶方向盘的蘑菇吗？但试想，若驾驶座上操控方向盘的是一株拥有智能的“神奇蘑菇”，你是否会毫不犹豫地交付信任？近期，一项革命性的“生物融合”技术横空出世，它巧妙利用真菌神经网络的微妙信号，引领机器人踏上前所未有的移动之旅。

康奈尔大学和意大利佛罗伦萨大学Robert F. Shepherd教授团队在《Science Robotics》（中科院1区，IF：26.1），杂志上发表一篇题为“Sensorimotor control of robots mediated by electrophysiological measurements of fungal mycelia”研究文章，他们建立了生物和机器人之间的一种“通信接口”，用蘑菇体内的电脉冲作为控制机器人的信号。

“生物混合机器人”是一个新兴的研究领域，它涉及将植物、动物和真菌细胞与合成材料相结合来制造机器人。然而，使用动物细胞的成本高昂及其带来的伦理问题，以及植物细胞对于外部刺激反应缓慢的特性，一直是该领域面临的挑战。最新研究显示，真菌可能是解决这些难题的关键。

为了能用真菌产生的生物信号作为机器人的控制信号，研究人员开发了一种菌丝体电接口，可以进行长期稳定的生物电捕捉和记录。用于捕捉信号的电极，和一种名为刺芹侧耳（Pleurotus eryngii），又称杏鲍菇的菌丝体培养皿一同被置于专门设计的3D打印支架上（图1）。作者将菌种接种于马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基上，放入支架固定的培养皿内，在25°C下培养。培养皿分（直径）60mm和150mm两种尺寸，分别培养约3周和5周，直到菌丝体完全长满培养皿。在培养过程中和培养完成后，作者对菌丝产生的电信号进行了持续记录。最后通过分析发现，菌丝体在整个培养期内能够稳定产生自发的电位尖峰，平均幅值约135μV，最大幅值1868μV，平均频率约0.12次/秒。

图1 真菌生物电信号记录与机器人接口

作者测试了不同光强度（0.1-1W/cm²）、照射距离（12-20cm）和照射时间（2-12秒）的组合（图2A）。结果表明，紫外光照可诱发幅值高达18000μV、持续时间约4秒的电位尖峰，蓝光也有类似效果但幅值较低，红光和白光则未观察到明显效果。在了解了真菌产生电信号以及受光照影响的规律后，研究人员利用其产生的节律性正负电位尖峰信号，实现了机器人的控制（图2B）。

图2 光刺激和控制信号

最终设计出一款柔性多足步行机器人，将菌丝体产生的电信号经过阈值检测等处理，转化为数字控制信号，通过Arduino单片机输出PWM波控制气动阀和直流电机（图3）。后续实验也表明，菌丝体可以稳定控制机器人持续运动数十分钟。当用紫外光刺激菌丝体时，机器人的运动状态也随之发生改变，实现了机器人的实时控制。

图3 菌丝导向系留软机器人在不同控制场景下的演示

真菌-计算机接口实现了菌丝体与机器人之间的有效通信。当研究人员对菌丝体进行光照时，它们会产生电脉冲以驱动机器人移动。研究人员发现，由于真菌不喜光，因此当向接口照射更多紫外线时，真菌产生的电信号响应更强烈，从而使机器人移动得更快。

有专家表示，该研究是利用真菌王国为机器人提供环境感知和指令信号以提高其自主水平的第一篇论文。未来机器人的潜力可能是感知农作物土壤化学成分，并决定何时添加更多肥料，例如，也许可以减轻农业的下游影响，如有害藻类大量繁殖。

原文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/scirobotics.adk8019