[科普中国]-跨物种交流？仿生机器人让相距680公里的蜜蜂和鱼“打电话”

最近，瑞士洛桑联邦理工大学的科学家们利用仿生机器人，协助位于奥地利的蜜蜂和位于瑞士的斑马鱼进行了一次跨地域跨物种的信息交流（相距680公里），首次通过实验证明仿生机器人可以帮助协调实现物种之间的互动。实验中，鱼群和蜂群的行为方式均受到对方影响，表明大范围的种间协同作用将成为可能。该研究成果发表于《科学》子刊《科学机器人》（Science Robotics）。跨物种交流：人类一直以来的梦想与其他物种进行交流是人类一直以来的梦想，早在几千年前的神话中（如西游记），人类就渴望与鱼、鸟、兽等各种生物进行交流。如今随着宠物猫和宠物狗的流行，多款动物语言翻译器在手机应用市场中应运而生，它们可以通过宠物的叫声来判断宠物情绪，帮助用户更好地理解自己的宠物。虽然这些应用以经验为基础，并没有足够的科学原理为支撑，但一系列的尝试反映出人们期待和动物乃至大自然进行交流的渴望。除“语言”之外，人类还期望通过观察动物的行为来理解动物的情绪。我们想要和动物乃至大自然进行交流，首要问题是读懂他们之间的语言和交流方式。科学家们通过观察动物行为，已经总结出一些动物行为的含义，比如蜜蜂通过跳8字舞来告诉同伴蜜源的位置，猫咪通过弓背和炸毛来表现愤怒和紧张状态。不同物种之间交流方式各不相同，我们并不能说出让动物也能听得懂的语言，也无法做出与动物一样的交流行为：即使我们对着蜜蜂跳8字舞，蜜蜂也是看不懂的。所以尽管科学家们已经总结出一些动物行为的含义，我们也并不能直接顺畅地和动物进行交流。很显然，为了解决和其他动物交流的问题，我们需要一个能打入动物内部的媒介。这个媒介需要能够通过动物能理解的方式，帮助人类向动物传递信息。对话媒介：仿生机器人仿生机器人是指模仿生物的外部形状或者某些特定功能的机器人系统。仿生机器人不止模拟人类，也会模拟动物的某些构造和功能特性。实验中，为了让斑马鱼群和蜂群能进行正常交流，研究人员制造出机器鱼和机器蜜蜂作为两个群体的信息传输媒介。研究人员制造出大小是斑马鱼1.5倍的机器鱼。机器鱼外形和斑马鱼相似，尾部能灵活摆动。凭借相似的外表和行为，机器鱼成功打入了鱼群内部。研究人员观察发现，斑马鱼群具有“从众行为”，当机器鱼以高于鱼群平均速度的速度移动时，会对斑马鱼群的运动方向产生影响。机器鱼的尾部产生摆动以及与鱼群保持较近的距离，都会诱导斑马鱼群跟随机器鱼游动。机器蜜蜂则是一个固定装置。研究人员将两个机器蜜蜂分别固定在长条形装置的两侧。机器蜜蜂以蜂蜡作为掩饰，能够产生热量和振动等让蜜蜂敏感的刺激形式。研究人员通过观察发现，当机器蜜蜂产生更多热量时，能够吸引更多的蜜蜂聚集在一起。研究人员将鱼群和蜂群、包括机器鱼和机器蜜蜂分别置于一个二元选择的系统中。然后通过互联网连接机器蜜蜂和机器鱼，让它们互相交换信息，并对鱼群和蜂群的行为进行了对照试验。蜜蜂和鱼群都是社会性生物，个体之间会互相影响而产生集体行为（个体行为被放大）：蜜蜂会倾向于聚集在一起，而鱼群则倾向于同向游动。研究人员将鱼群放在一个封闭的环形容器中，这样它们可以选择顺时针或逆时针游动；蜜蜂则被放在一个涂有硅油的有机玻璃容器中，容器中有两个蜜蜂机器人，这样蜂群可以聚集在左边，或者右边。研究人员为机器鱼和机器蜜蜂设定了对应的行为方式，例如，如果机器鱼顺时针游动，就让左边机器蜜蜂发热；如果机器鱼逆时针游动，就让右边机器蜜蜂发热；反之亦然。同时，在不接受对方信息时，机器鱼和机器蜂可以探测周围鱼群和蜂群的行为，并作出反应（加入集体行为），就像它们是群体中真正的一员一样。研究人员做了三个实验，采取三种不同的信息传输方式，分别观察两个群体之间的相互影响。在第一个实验中，研究人员将蜂群运动信息通过机器蜜蜂单向传输给机器鱼。当斑马鱼群在没有接受信号时，虽然它们也会作为一个群体运动，但是它们不会保持在一个方向，经常会出现突然转向的情况。然而，当机器蜜蜂将蜂群信息单向传输给机器鱼时，鱼群会在几分钟或稍长的时间中达成一致，向一个方向运动。这说明蜂群的运动信息对鱼群的运动产生了影响。第二个实验中，研究人员将鱼群的移动信息单向传输给机器蜜蜂。蜂群在没有接受信号时，会在15分钟左右选定一个方向聚集在一起。但是当机器鱼将鱼群信息单向传输给机器蜜蜂后，却扰乱了蜂群的运动，使蜂群在两个机器蜜蜂之间移动了30分钟才选定好一个方向。这说明鱼群的运动信息也影响了蜂群的运动，只不过蜂群和鱼群对信息的反馈刚好相反。最后一个实验中，鱼群和蜂群分别即时向机器蜜蜂和机器鱼传输各自群体的运动信息。蜂群花了20分钟选定一个方向聚集在一起，此后鱼群也选定了相同的运动方向。这说明信息成功地通过仿生机器人这个传输媒介传输到了两个群体，蜂群和鱼群成功进行了“交流”。研究人员Bonnet表示：“当我们在两个群体之间建立连接时，机器人就像翻译官一样。”从信息传递到跨物种交流：能否走得更远？目前研究人员只是简单利用斑马鱼群和蜂群的“从众行为”，采用机器鱼和机器蜜蜂作为信息传输媒介，帮助鱼群和蜂群交流运动信息。由于实验中鱼群和蜂群的行为主要通过机器鱼和机器蜜蜂引导发生，交流双方并不知道对方的存在，属于被动的简单信息交换，而非有目的交流和互动反馈。因此，真正的跨物种交流仍然还有很长的路要走。虽然还不能达到跨物种自由交流的最终目标，但是该项研究创新性地提出通过仿生机器人作为传输媒介的方式进行跨物种交流，已经成功地迈出了跨物种交流的第一步，为未来进一步研究跨物种提供了新思路。实验中蜜蜂和斑马鱼生活在不同环境，但却可以相互影响。研究人员提出未来甚至可以通过跨物种交流综合水陆信息帮助人们进行事故搜救。除动物外，该方法还可以推广到植物，甚至真菌和微生物中，产生更大范围的协同作用。当然，这种仿生机器人传输媒介在生物系统之外也有相当的应用前景。部分学者提出将不同机器系统的信息互联，进行跨系统交流，比如通过信息交流调节自动化工厂中各设备的生产速度，提升工厂的工作效率。作者 | 代璐 重庆大学微电子与通信工程学院审稿 | 鞠思婷 国家纳米科学中心博士编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”参考文献：Bonnet F, Mills R, Szopek M, et al. Robots mediating interactions between animals for interspecies collective behaviors[J]. Science Robotics, 2019, 4(28): eaau7897.Bonnet F, Halloy J, Mondada F. Follow the dummy: measuring the influence of a biomimetic robotic fish-lure on the collective decisions of a zebrafish shoal inside a circular corridor[C]//2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). IEEE, 2018: 504-509.