鮑勃·福爾摩斯

機(jī)器隼

蜜蜂通過跳舞引導(dǎo)蜂巢中的同伴找到新的食物源;孔雀魚會與同伴們協(xié)商領(lǐng)導(dǎo)權(quán);當(dāng)隼來襲時，信鴿會進(jìn)行集體躲避。自從動物行為研究出現(xiàn)以來，科學(xué)家們一直在研究諸如此類的社交互動。如今，他們的研究有了新的變化——研究對象不僅有活體動物，還有機(jī)器動物。在研究人員的控制下，這些機(jī)器動物會在實(shí)驗(yàn)中與有血有肉的活體動物互動?？茖W(xué)家們希望這樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈娜碌慕嵌冉沂荆耗男┮蛩啬艽偈箍兹隔~成為社交能手？蜜蜂是如何向同伴傳達(dá)信息的？以及，動物的社交生活還有哪些其他特征？

這聽起來可能有些不尋常，但事實(shí)上，相關(guān)研究早已開啟。機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算能力的進(jìn)步意味著工程師可以制造出足夠逼真的機(jī)器動物，使動物們將其視作同類并作出反應(yīng)?！白銐虮普妗钡谋普娉潭纫蜓芯繉ο蠖?。有時機(jī)器動物必須外表逼真，有時需要?dú)馕兑恢拢袝r它只要能移動就行。

與活體動物相比，機(jī)器動物有一個很大的優(yōu)勢：它們會按照研究人員的指令，一次又一次以完全相同的方式去完成任務(wù)。這讓科學(xué)家們可以在一定程度上控制他們的實(shí)驗(yàn)，而其他任何方式都很難甚至不可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?！叭绻隳苤圃煲粋€機(jī)器動物，讓它作為眼線混進(jìn)一群動物里，而動物們又能接納這個機(jī)器動物并把它當(dāng)作群體中的一員，然后你就可以讓機(jī)器動物執(zhí)行任務(wù)，看看真正的動物會有什么反應(yīng)。”紐約羅徹斯特大學(xué)的動物認(rèn)知研究員多拉·比羅說。

借助機(jī)器動物，研究人員可以將各種因素分離開來，例如魚的大小和它的經(jīng)驗(yàn)，而這些因素在真實(shí)動物身上是無法分離的。他們可以讓真實(shí)動物一遍又一遍地接受完全相同的刺激，從而加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。有時，他們還可以在完成目標(biāo)的同時避免動物面對真正的捕食者或潛在的物種入侵風(fēng)險。

以下是五種仿生機(jī)器動物，研究人員正在利用它們研究和控制特定情況下真實(shí)動物的社交互動。

潛入蜂巢的機(jī)器蜂

著名的蜜蜂“搖擺舞”在60多年前已經(jīng)為人所知——返巢的工蜂在蜂巢入口附近按照特定路線快速移動并振動翅膀和身體，它們用這種方式來告訴同伴食物的位置。但研究人員仍不清楚它們蜂巢中的同伴們是如何對這些信息進(jìn)行解碼的?！靶盘柕暮x是什么？舞蹈中的哪些部分真正傳遞了信息？哪些只是無心的動作？”柏林自由大學(xué)的機(jī)器人專家蒂姆·蘭德格拉夫問道。他認(rèn)為，這些是機(jī)器蜂要完成的任務(wù)。

蘭德格拉夫制作了一個真蜜蜂大小的模型——一個帶有單翼的蜜蜂模樣的粗糙塑料球——并將其連接到一個機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)上，以便控制模型移動、振動的位置及方式。將機(jī)器蜂放進(jìn)蜂巢后，蘭德格拉夫發(fā)現(xiàn)，機(jī)器蜂確實(shí)可以引導(dǎo)真正的蜜蜂找到食物源，甚至是它們之前從未用過的食物源。這個結(jié)果是對理論的有力證明。

但機(jī)器蜂的成功并不可靠。蘭德格拉夫說：“有時蜜蜂會在幾秒鐘內(nèi)跟隨，但有時卻需要幾天的時間，而我們無法解釋原因?！彼庾R到，這其中還有一個他從未考慮過的問題——蜜蜂如何從跳舞的工蜂中選出自己要跟隨的那一個，以及怎么決定要在何時跟隨。他想知道，潛在的追隨者們是否在積極尋找有關(guān)食物來源的信息，還是舞蹈者必須以某種方式說服它們？是否只有少數(shù)具備經(jīng)驗(yàn)的工蜂才能明白所有特定的信號？

為了解答這些問題，蘭德格拉夫和他的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一種升級版的機(jī)器蜂——它具有更真實(shí)的氣味和更可靠的翅膀振動機(jī)制，可以進(jìn)入一個布滿獨(dú)特標(biāo)記的蜜蜂蜂巢——并希望可以借此追溯活體蜜蜂的經(jīng)歷。盡管新冠疫情延誤了時間，他們最終還是開始了系統(tǒng)測試，只是暫未得到結(jié)果。不過，蘭德格拉夫說：“我估計(jì)，我們很可能會有一些新發(fā)現(xiàn)?！?/p>

當(dāng)隼來襲時，一群鴿子會有什么反應(yīng)？經(jīng)典的“自私牧群原理”假設(shè)，每只鴿子都會在遇襲時努力擠進(jìn)鴿群中間，從而導(dǎo)致捕食者帶走其他不幸的同伴。但這個想法并不容易驗(yàn)證。隼的每一次攻擊都不相同——起始位置的高度及角度都可能不同，而所有這些變化都會影響鴿子的反應(yīng)。因此，英國?？巳卮髮W(xué)的行為生態(tài)學(xué)家丹尼爾·?；_始使用機(jī)器隼。

“這種可控的方式非常利于研究?！鄙；f，“你可以確保在放飛鴿子時，隼總是正好落后20米，并且可以重復(fù)操作?！贝送?，他指出，機(jī)器隼對鴿子來說更安全。“據(jù)我所知，曾經(jīng)發(fā)生過一只訓(xùn)練有素的隼消滅了一群鴿子的事?！?/p>

一名隼愛好者用他的機(jī)器隼幫助了桑基。除了多出一個驅(qū)動它的螺旋槳，這只機(jī)器隼的外表可謂栩栩如生。桑基反復(fù)“攻擊”了一群信鴿，同時通過GPS跟蹤每只鴿子的位置。他發(fā)現(xiàn)，與“自私牧群原理”相反，鴿子在受到攻擊時并沒有努力往鴿群中間擠。

機(jī)器隼“攻擊”鴿群。

此外，?；姆治霰砻鳎@些鴿子大多試圖與同伴同向飛行，這樣鴿群就能一致躲避攻擊，而不會有任何鴿子掉隊(duì)落入捕食者的手中?！斑@表明，它們可以通過團(tuán)結(jié)協(xié)作一起逃離捕食者，并且不犧牲任何同伴?！鄙；f。雖然沒有確鑿的證據(jù)，但這表明鴿群可能是有合作精神的，它們并不自私。

魚群里的哪條魚最有可能成為首領(lǐng)？大多數(shù)研究表明，體型較大的魚往往對魚群的前進(jìn)方向影響較大。大魚通常更年長、更有經(jīng)驗(yàn)，而且它們的行為也與魚群中的小魚不同。但這些因素中的哪一個對成為魚群首領(lǐng)影響最大？這很難用真正的魚來測試?！澳阍趺床拍茏屢粭l大魚表現(xiàn)得像一條小魚呢？這些都只能用機(jī)器動物來測試?！卑亓趾楸ご髮W(xué)的動物行為學(xué)家延斯·克勞澤說。他在2021年的《控制方法、機(jī)器人技術(shù)和自動系統(tǒng)年評》中與人合作撰寫了行為學(xué)研究中有關(guān)機(jī)器動物的綜述。

克勞澤和他的同事研發(fā)了機(jī)器魚——一種安裝在磁性底座上的3D打印孔雀魚模型，由水箱下方的電動裝置驅(qū)動。兩個與計(jì)算機(jī)相連的攝像機(jī)可以讓機(jī)器魚即時對同伴們的行為作出回應(yīng)。

魚群將機(jī)器魚視作了同類。

他們發(fā)現(xiàn)，只要模型有眼睛并且色彩圖案與真魚大致相似，孔雀魚就會把模型當(dāng)作普通活體魚，并作出反應(yīng)。這讓研究人員能夠在保持其他條件相同的情況下，更換更大或更小版本的機(jī)器魚，以便單獨(dú)研究體型大小的影響。他們發(fā)現(xiàn)，孔雀魚果然傾向于追隨個頭更大的機(jī)器魚首領(lǐng)。該團(tuán)隊(duì)還使用機(jī)器魚來研究個體魚的行進(jìn)速度如何影響群體行為。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了另一個關(guān)于魚群首領(lǐng)的令人驚訝的事實(shí)：社交禮節(jié)很重要。他們早期版本的控制程序會導(dǎo)致機(jī)器魚過于靠近同伴，這迫使真正的魚后退以保持距離?！拔覀冇幸恍C(jī)器魚還會追逐活體魚?！笨藙跐苫貞浀?。后來，團(tuán)隊(duì)對機(jī)器魚進(jìn)行了調(diào)整，以便讓它們保持禮貌的社交距離。而新版的“社交能手”機(jī)器魚用事實(shí)證明，它們在吸引追隨者方面有絕對優(yōu)勢。

先前的研究都是讓機(jī)器動物進(jìn)入活體動物群，以刺激活體動物作出反應(yīng)。此外，還有一種單獨(dú)使用機(jī)器動物來解析動物行為的方法：對一群機(jī)器動物進(jìn)行編程，使其遵循你所知的真實(shí)動物的行為規(guī)律，看看它們是否能復(fù)刻真實(shí)動物的行為方式。

這就是哈佛大學(xué)集體行為研究員賈斯汀·韋費(fèi)爾所采用的方法。韋費(fèi)爾想了解白蟻是如何建造如此復(fù)雜的蟻丘的，這些蟻丘因?yàn)槿肟谔幍臏喜坳嚵卸劽?。他把研究焦點(diǎn)集中于建造過程中的一個特定步驟——白蟻如何為從蟻丘中挖掘出來的土選擇傾倒地點(diǎn)。這個簡單的判斷決定了蟻丘入口的復(fù)雜形狀。

韋費(fèi)爾和同事們獲得的一些證據(jù)表明，白蟻可能會在蟻丘內(nèi)部高濕度區(qū)域與地表干燥空氣的交界處傾倒泥土，這是它們家園邊界的一個很好的標(biāo)志。但他們不知道白蟻的倒土行為是否也受其他因素影響。

所以他們制作了一群機(jī)器白蟻。由于機(jī)器白蟻不必與真正的昆蟲互動，它們不必顯得栩栩如生。相反，這些機(jī)器白蟻其實(shí)是磚塊大小的推車，它們可以在平坦的表面上運(yùn)送和卸下彩色積木。每只“白蟻”都攜帶著一個濕度傳感器，程序會操控它們在濕度高時攜帶積木，在濕度下降時卸下積木。與此同時，當(dāng)每只“白蟻”移動時，會有一個倉鼠管道不斷地滴水，以確保機(jī)器白蟻占領(lǐng)區(qū)的濕度更高。

科學(xué)家利用機(jī)器白蟻研究白蟻的蟻丘和倒土行為。

“我們知道機(jī)器白蟻只關(guān)注濕度，因?yàn)檫@是我們給它們的指令?！表f費(fèi)爾說。事實(shí)證明，這就足夠了。因?yàn)樽罱K，機(jī)器蟻群在它們的“蟻丘”入口卸下了積木，它們甚至像真正的白蟻一樣，在有風(fēng)的日子里封閉了入口。當(dāng)然，韋費(fèi)爾指出，雖然這并不能證明白蟻是完全根據(jù)濕度規(guī)則來建造蟻丘的，但卻可以表明，這樣的規(guī)則足以讓它們完成任務(wù)。

仿生機(jī)器動物不僅能揭示動物的行為秘密，它們可能很快會被用在特定領(lǐng)域操縱活體動物。

食蚊魚原產(chǎn)于美國南部，現(xiàn)已成為全球百大入侵物種之一。西澳大利亞大學(xué)的行為生態(tài)學(xué)家喬瓦尼·波爾維里諾決定以一種不尋常的方式控制仿生機(jī)器動物。

科學(xué)家試圖用機(jī)器大嘴鱸魚恐嚇入侵物種食蚊魚。

波爾維里諾和他的同事們制作了一種機(jī)器魚，把它設(shè)計(jì)成大嘴鱸魚的樣子。在食蚊魚的原生水域中，大嘴鱸魚是它們的主要捕食者?？蒲腥藛T對機(jī)器魚進(jìn)行編程，使其氣勢洶洶地游向食蚊魚，希望以此恐嚇入侵物種，同時又不影響到澳大利亞的本土物種。（許多野生動物都會表現(xiàn)出持久的恐懼反應(yīng)。）

而這正是他們所看到的：每周僅與機(jī)器捕食者接觸15分鐘，食蚊魚體內(nèi)的脂肪就會減少，用來逃生的能量增加，而用來繁殖的能量也相應(yīng)減少?！八鼘κ澄敏~的影響是巨大的，但其他物種卻一點(diǎn)也不害怕，因?yàn)槲覀儚?fù)制了一種在澳大利亞不存在的捕食者。”波爾維里諾說。

在將他的人造捕食者投放到現(xiàn)實(shí)世界之前，波爾維里諾還有很多工作要做?！拔覀兊臋C(jī)器魚在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)良好?！彼f，“不過，這是在附近設(shè)有一臺電腦、水箱上方裝有一個網(wǎng)絡(luò)攝像頭并且配備了電池的情況下實(shí)現(xiàn)的。”

即便如此，他仍決定與昆士蘭州的一個國家公園進(jìn)行協(xié)商，因?yàn)樵谀抢镄《宄旱乃刂猩钪鴥煞N瀕臨滅絕的魚類，而最近食蚊魚占領(lǐng)了水池。水池很小，這也許能為首次野外測試提供良好的環(huán)境?！澳壳斑€沒有作好準(zhǔn)備，”波爾維里諾說，“但這件事是可以嘗試的?！?/p>

當(dāng)然，當(dāng)研究人員試圖將機(jī)器動物融入真實(shí)動物群體時，很多事情都可能出錯——有時，導(dǎo)致失敗的原因一點(diǎn)都不復(fù)雜。例如，當(dāng)比羅試圖制作一只機(jī)器鴿來研究信鴿群的集體決策時，該機(jī)器鴿的飛行速度卻無法跟上真正的鴿群。盡管如此，以新方式測試動物行為的機(jī)會仍然讓她充滿期許，她希望某一天能再嘗試一次?！叭绻覀兡茏屵@一切都正常運(yùn)作，那么接下來就會有各種各樣有趣的事情等著我們?nèi)プ??！北攘_說，“這正是我一直期盼的。”

[編譯自美國《史密森尼》]

編輯：馬果娜