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日產汽車(Nissan)通過觀察蜜蜂和魚群的活動開發出了自動駕駛汽車。東京大學以應用於機器人為目標,再現了昆蟲的大腦。人類能多大程度探明生物的神秘性,並應用於日常生活中呢?
大腦中有一小片負責某種重要原始功能的區域,即「迴避危險」的部分。不僅是人類,爬蟲類、昆蟲、魚、鳥等多種生物的大腦中都有這個區域。
地球上的生命大約起源於40億年前。在這期間,人類不斷進化並傳承了許多生物的功能。探索這種功能並靈活應用,這是目前許多技術人員在做的事情。
透過靈敏的動作避免事故
「我們研究的是蜜蜂和魚群」——在日產汽車負責先進技術研究的專家型領導二見徹這樣說道。2013年9月,該公司在美國加州公開了兩輛自動駕駛汽車。在展示行駛中,當路上突然出現行人時,汽車會自動打方向盤,通過靈敏的動作平安地避開。
自動駕駛汽車的開發歷史要追溯到2008年公開的機器人車「BR23C」,該車利用了蜜蜂的飛行分析結果,這是日產與東京大學尖端科學技術研究中心的共同研究成果。
蜜蜂在飛來飛去的過程中為何不會碰撞呢?這是因為蜜蜂具備一種躲避風險的能力,可以用左右的複眼檢測周圍的情況,針對闖進自己「領地」的天敵和障礙物,瞬間轉換方向。
BR23C自動駕駛車用稱為雷射測距儀的感測器實現了掌握周圍情況的複眼功能。透過檢測投射雷射的反射光,根據時間差測量到障礙物的距離,可以根據情況加速、減速或旋轉,從而避免碰撞。
蜜蜂透過瞬間組合各種動作來躲避障礙物和天敵。二見表示,「我們把這種躲避動作數位化,使障礙物從不同方向接近時,汽車的躲避行為規則化」。根據這個規則及時切換車輪的角度,由此實現了瞬間躲避。
在BR23C之後,日產又參考了魚群的行為。
在魚群中,即使魚和魚之間的距離非常近也可以暢通無阻地游動。如果汽車也能實現同樣的行動,應該可以構築不易擁堵的高效率交通系統。
能讓魚在魚群中與其他的魚保持適當距離,從而避免碰撞的是「側線」。正如其名稱一樣,側線是位於魚體側面魚鱗下方的感覺器官,用來在水中感知水壓和水流的變化。根據水流的亂流檢測出障礙物和碰撞危險,從而能夠一直與旁邊的魚保持適當的距離。
日產2009年公開的機器人車「EPORO」用BR23C同樣採用的雷射測距儀發揮了側線的作用。利用雷射測距儀隨時測量與附近車輛的距離,加以適當地控制,透過用無線通信功能使多輛汽車聯動,在車流中可暢通無阻地自動行駛。
集成了這些技術的成果就是前面提到的自動駕駛汽車。日產宣佈將在2020年之前開發出多種自動駕駛汽車。
用電腦再現大腦
模仿生物功能的不僅限於汽車領域。生物的功能還蘊藏著使機器人和人工智慧實現飛躍發展的可能性。 東京大學教授神崎亮平,就是要用世界最高水準的超級電腦「京」重現昆蟲的大腦。
昆蟲的大腦只有幾毫米(mm)大,也許有人認為再現這麼小的東西毫無用處,其實不然。昆蟲大腦的基本機制與人類相同,由稱為神經元的神經細胞構成,其形狀和作用與人類相同。雖然人類大腦中的細胞數量為1000億,而昆蟲只有區區10萬,但其能力卻是「非同尋常的」。
昆蟲通過複眼和觸覺等感測到外部刺激後做出反應的時間為0.01秒,是人類的十分之一。無法輕易捕捉到昆蟲是因為,在昆蟲看來,人類的動作就像慢動作一樣。
昆蟲的嗅覺也十分靈敏。在《法布爾昆蟲記》中,法國著名生物學家讓亨利·法布爾描述了這樣一段場景:雄蛾為尋找雌蛾,循著雌蛾留下的氣味可從幾公里的遠處飛過來。
雄蠶蛾平時是不會飛的。但一旦嗅到雌蠶蛾發出的費洛蒙味道就會立即行動,準確到達雌蠶蛾身邊。
神崎教授指出,「以往的仿生學是人類通過對自然的觀察來模仿所掌握的模式和形狀」。但如果能在電腦上重現昆蟲的大腦,則可以了解昆蟲的大腦對於刺激會作何反應,從而探明其機制。
昆蟲賽博格亮相
那麼,如何再現昆蟲的大腦呢?首先,在昆蟲大腦中的各神經細胞內插入微小電極。然後,向昆蟲施加刺激,分析神經細胞如何發出信號,從而明確各細胞發揮的作用。神經電路的物理構造通過注入色素實現可視化。
光這些還不夠,因為腦內的細胞是時刻變化的。以人為例,最初需要邊思考邊笨拙地使用的棒球棒和汽車,慢慢的才會變成像是自己身體一部分一樣的熟練使用。這是因為大腦隨著學習發生了變化。
跟人類一樣,昆蟲也會根據周圍的環境學習。有些實驗如實地反映了這種情況,比如讓蠶蛾操控機器人。
把蠶蛾放在機器人內部的球上。蠶蛾一爬動,球就會轉起來。根據這個動作,機器人也會像蠶蛾一樣動起來。
實驗人員搞了個惡作劇,做了一些調整,即使蠶蛾向前進,機器人依然向右拐。結果,蠶蛾竟調整了自己的動作,巧妙地使機器人到達了目的地——費洛蒙源。這是因為蠶蛾掌握了機器人容易右拐的特性,自己進行了行為調整。
神崎教授的研究團隊還進一步推進了研究,從昆蟲的腦中提取電信號,用來驅動機器人。也就是製作了「昆蟲賽博格」。
昆蟲賽博格配備了切下的帶有觸角和複眼的蠶蛾頭部。透過放在特殊液體裏,蠶蛾不會立即死亡。研究人員用蠶蛾大腦發出的信號驅動馬達,移動了機器人(體)。
由此,可以即時記錄當昆蟲學習周圍情況的變化時,腦神經信號會如何變化。研究人員根據該數據推測了學習過程中的腦內變化。首先,用超級電腦再現了腦的嗅覺和運動系統,從而更接近實際昆蟲的大腦。
有望最快實用化的,是大腦的氣味檢測功能的應用。
蠶蛾具備超高的嗅覺,能以秒為單位檢測到濃度為10億分之1的氣味。目前的人工感測器要想檢測到同等水準濃度的氣味需要約10分鐘。
神崎教授透過改變基因,使蠶蛾的嗅覺受體細胞對費洛蒙以外的特定氣味發生反應並發光。目前正在製作提取細胞,使之成為對氣味發生反應並發光的感測器,未來有望「用於探測毒品和爆炸物等」神崎教授表示。
重現昆蟲大腦的研究是為將來重現人腦而邁出的第一步。透過逼近人腦,未來機器人技術的關鍵——人工智慧的性能可實現飛躍性提高。此外,還能為腦神經系統的疾病治療開拓道路,比如用其他回路彌補壞死神經回路的功能等。
人類與擁有生物腦的汽車和機器人共存的社會,也許並不遙遠了。(記者:廣岡 延隆,《日經商務週刊》)
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