2014年05月27日09:21
【新聞鏈接】
生物電子誕生（一）生物體內的寶藏，將帶來控制、傳感器和節能革命
一盤磁帶容量達154TB ！IBM和富士膠片創磁帶存儲密度新記錄
人工制造昆虫腦
通過模仿昆虫腦控制機器人——東京大學尖端科學技術研究中心副所長、生命智能系統領域教授神崎亮平率領的研究組正在開展這項研究。
與人等哺乳類動物相比，昆虫的腦極其簡單。有研究表明，組成人腦的神經細胞有1011個，而昆虫隻有105∼106個左右。盡管如此，昆虫依然具備巧妙躲開障礙物，在發生危險前面隱蔽自己的能力。而且，對於危險的反應速度比人還要快。在存在外部干擾的情況下，還能對干擾進行修正。也就是說，“隻要能夠人工制造出昆虫的腦，就可以制造出前所未有的節能、機敏的高性能機器人”（神崎）。
為了了解昆虫腦，神崎研究組研究的對象，是家蠶蛾對特定的氣味物質（信息素）做出反應並向其移動的神經網絡。
通過神經的可視化制造人工腦
研究大致分為兩個方向。一是解明昆虫腦的回路結構，制造出人工腦，使用人工腦驅動機器人。二是直接使用昆虫腦驅動機器人。研究組希望通過二者的比較研究，對人工腦進行修正和拓展，從而提高人工腦的精度（圖5）。
 |
|
圖5：對昆虫腦實施IC化 通過解明家蠶蛾朝信息素發生源的方向移動的腦結構，制造人工腦，用來驅動機器人。（圖：《日經電子》根據東京大學的資料制作） |
人工腦的制作方式如下。首先，向昆虫腦的神經細胞中插入含有熒光色素的玻璃管電極，通入微弱電流，對細胞進行熒光染色，利用共焦激光掃描顯微鏡觀察，測量每個神經細胞的三維結構。然后，根據三維結構，利用單個的神經細胞構建神經回路（網絡），明確家蠶蛾腦神經回路的概要。
為了揭示把氣味物質檢測轉化為運動的神經網絡，研究組還特別調查了昆虫腦在檢測信息素時把信息傳送到運動系統的方式。結果發現，運動系統接收到了與觸發器電路相同的信號（圖6）。而通過對生成信號的神經細胞順藤摸瓜，與信息素檢測到運動全過程相關的神經網絡也水落石出。
 |
|
圖6：家蠶蛾的運動系統是觸發器響應 在制作使用昆虫腦驅動的機器人的過程中，研究組發現了左右的動作是通過觸發器響應的方式傳送。動作通過信號的長短表現。（圖：《日經電子》根據東京大學的資料制作） |
而且，研究組還利用程序模仿檢測氣味物質並激發動作的神經網絡，制成了人工腦。
在超級計算機上重現昆虫腦
直接使用昆虫腦控制的機器人分為兩種。一種是家蠶蛾利用自己的腿控制的機器人“昆虫操控機器人”，一種是取下家蠶蛾的頭部，隻利用腦的“昆虫腦操控機器人”。
昆虫操控機器人是把家蠶蛾放置到可以自由旋轉、類似於乒乓球的球體上，用家蠶蛾進行控制。當家蠶蛾活動腿腳，向目標方向前進的時候，球會隨之運動，此時，傳感器將檢測到動作。根據信號，機器人會做出相應的動作。昆虫腦操控機器人則是取下家蠶蛾的頭部，通過檢測傳導至運動系統的觸發器信號，利用這種神經信號驅動機器人。
通過研究利用昆虫腦的機器人，研究組發現，即使讓致動器的動作比家蠶蛾的腦做出反應延時約600ms，或是沿左右方向做不對稱動作，家蠶蛾的腦也能對這些外部干擾進行糾正。
神崎研究組認為，通過對比使用人工腦和昆虫腦的機器人並不斷改進，能夠制造出抗干擾能力強的機器人。現在，利用超級計算機“京”重現家蠶蛾更詳細的神經回路，實施模擬其功能的研究也在進行中。如果這項研究取得成功，人們將有可能對基於腦設計圖的神經回路功能進行檢驗和預測，制造出更接近昆虫腦的人工腦。
考察蟋蟀的回避能力
神崎也與日產汽車開展了合作研究。研究的內容是具備蜂類和蟋蟀的回避能力的機器人。
其中，日產汽車對蟋蟀的回避能力寄予了強烈關注。因為當接近的移動體和障礙物不止一個時，蟋蟀能夠為其排定優先順序，有效進行回避。與之相比，EPORO隻能避開近處的障礙物，無法像蟋蟀那樣排序。
神崎表示，在為機器人賦予蟋蟀的回避能力后，機器人在模擬中，依次避開了16個移動體。實際試制的機器人也成功避開了多個移動體。（作者：根津禎、中道理，日經技術在線！供稿）
