出品：科普中国

作者：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览

如果告诉你，科学家能在68秒内把一只普通蟑螂变成可远程控制的“生物机器人”，你会相信吗？这不是科幻电影的情节，而是刚刚发表在《自然·通讯》上的真实研究成果。

2025年7月28日，新加坡南洋理工大学的研究团队向世界展示了一项革命性技术：全球首条昆虫-计算机混合机器人全自动生产线。这条生产线能够以前所未有的速度和精度，将活体昆虫改造成具有可控运动能力的“半机械生物”。更令人震撼的是，整个改造过程完全自动化，从固定昆虫到完成组装，仅需68秒。

研究人员手中的半机械蟑螂，背上是控制背包

（图片来源：参考文献1）

为什么是蟑螂？——大自然的“最优选”

在寻找理想的生物平台时，研究团队将目光投向了一种特殊的生物——马达加斯加蟑螂。这种世界上最大的蟑螂之一，成年个体身长可达5-7cm，体重6-8g，看似平凡的外表下隐藏着惊人的能力。

蟑螂拥有工程师们梦寐以求的几大“超能力”：

超长待机：能源系统完全自给自足，通过简单的进食就能获得持续数天的动力，而同等大小的机械机器人往往在几十分钟后就会电量耗尽。

极限缩骨：能将身体压缩到原始高度的四分之一，穿过仅有几毫米的缝隙，这种柔性变形能力是当前任何微型机器人都望尘莫及的。

超强负载：尽管体重轻巧，却能携带相当于自身体重两倍的负载（约15克），足以加装各种传感器和通信设备。

生存专家：耐高温、耐辐射、耐缺氧，这些特性使蟑螂成为执行危险任务的理想平台。

控制的突破：从“触角”到“关节”

传统的昆虫控制方法，需要在昆虫纤细的触角（直径仅 0.6 mm）上植入电极，操作难度极大，就像试图在一根头发丝上进行精密手术，成功率低且容易损伤昆虫的感知系统。

研究团队的突破性创新改变了游戏规则。他们首次将控制点从脆弱的触角转移到了蟑螂前胸与中胸之间的弹性薄膜上。这块薄膜就像是大自然为科学家预留的接口，不仅面积更大、位置固定，而且与控制前肢运动的神经系统直接相连。

为了利用这个发现，团队开发了独特的Y形双极电极。当3V的电脉冲通过电极传导时，神奇的事情发生了：刺激右侧电极，蟑螂会向左转；刺激左侧，则向右转；同时刺激两侧，蟑螂则会减速。整个响应时间仅需0.4秒，这种精准快速的控制此前从未实现过。

68秒的“智造”奇迹：从手工作坊到智能工厂

将实验室的成功转化为可批量生产的技术，是这项研究最大的亮点。传统的人工组装需要经验丰富的研究人员在显微镜下细心操作15分钟，成功与否很大程度上取决于操作者的技术水平和当天的状态。

全新的自动化系统彻底改变了这一切。系统的核心是一套精密的视觉定位技术，采用深度学习算法训练的TransUNet模型，通过分析6570张标注图像，学会了识别不同体型蟑螂的解剖结构。它就像一个训练有素的解剖学家，即使面对从未见过的个体，系统也能在3秒内准确定位植入点，精度达到亚毫米级。

机械臂的精准操作令人叹为观止。Universal Robots UR3e机械臂的重复定位精度达到0.03mm，比人的手稳定百倍。它轻柔地抓取仅重2.3g的电子背包，像外科医生握着手术刀，每一个动作都经过精确计算和优化。

最巧妙的是自适应固定系统。两根精密定位杆分别压住蟑螂的不同部位，使目标薄膜完美暴露。系统会根据每只蟑螂的体型自动调节压力和角度，确保既能稳定固定，又不会造成伤害。这种个性化的处理方式，是人工操作难以达到的。

从麻醉后的蟑螂被放置到平台，到完成全部组装并释放，整个过程行云流水，仅需68秒。对于5.0-6.0cm的标准体型蟑螂，成功率高达86.7%，生产效率提升了13倍。

蟑螂改造自动化流水线示意图，A为机械臂操作流程，B为电极植入，C为成品，D为电子背包

（图片来源：参考文献1）

群体智慧的展现：协同作战的威力

单个半机械蟑螂的能力已经令人印象深刻，但当它们组成团队时，展现出的协同效应更加惊人。在一个4平方米的模拟灾后场景中，研究人员随机放置了各种障碍物，包括石块、木板、金属片等，真实还原了废墟环境的复杂性。四只自动组装的半机械蟑螂被同时投放到场地中，每只都装备了超宽带定位标签，能够实时追踪它们的位置。

实验开始后，蟑螂们按照预设的程序开始探索。它们没有复杂的路径规划，只是简单地随机移动，每10秒接收一次方向调整指令。然而，就是这种看似简单的策略，产生了惊人的效果。

10分31秒后，统计数据显示，四只蟑螂共同覆盖了场地的80.25%，而单只蟑螂的最高覆盖率仅为45.75%。更重要的是，它们的路径互补性很强，一只蟑螂探索过的区域，其他蟑螂会自然地避开，转向未知区域。这种涌现出的集体智慧，为未来大规模部署提供了有力支撑。

精密工程背后的科学原理

这项技术的成功离不开多个学科的交叉融合。

材料科学：研究团队创新性地采用了多材料3D打印技术。普通树脂提供结构强度，而含有钯催化剂的活性树脂则在特定区域形成导电通路。通过精确控制打印参数，他们制造出了既坚固又导电的复合结构。

化学镀铜工艺：在含有硫酸铜和甲醛的镀液中，钯催化剂触发了铜的选择性沉积。经过16分钟的精确控制，形成了厚度为2.5微米的均匀铜层，电阻低于70欧姆，确保了电信号的有效传输。

深度学习算法：TransUNet模型巧妙地结合了卷积神经网络的局部特征提取能力和Transformer的全局信息整合能力。通过学习数千张蟑螂图像，模型不仅能识别前胸的位置，还能理解不同个体间的形态差异，实现了93.3%的分割准确率。

神经生理学：当电极刺激薄膜时，电信号通过神经传导到前肢肌肉，引起收缩。研究团队通过记录神经电信号，优化了刺激参数——3V的电压既能产生明显的行为响应，又不会造成神经损伤。

从实验室走向现实世界

这项技术的应用前景远超想象：

灾难救援：地震后,数百只半机械蟑螂可以迅速部署，它们携带生命探测器、气体传感器、微型摄像头，深入人类和搜救犬无法进入的缝隙搜寻生命迹象。

工业检测：它们可以轻松进入城市地下管网，检测泄漏点、评估腐蚀程度、发现堵塞位置。

环境监测与军事应用：在高危区域（如核电站、化工厂）定期巡检，构建森林火灾预警网络，或进入敌方阵地收集情报。

技术进步与伦理平衡

这项研究不可避免地引发了伦理讨论。将活体生物改造成可控制的工具，这种做法是否合适？研究团队对此有深入的思考和严格的规范。

所有实验都在严格的动物福利框架下进行。蟑螂在操作前会被二氧化碳麻醉，确保它们不会感到痛苦。电极的植入是微创的，不会对蟑螂的基本生理功能造成永久损害。实验结束后，设备可以被移除，蟑螂也能恢复正常生活。

更重要的是，我们需权衡利弊。这项技术的最终目的在于拯救生命、保护环境、提高人类福祉。在关键时刻，一只半机械蟑螂可能意味着一条人命的挽救，或一次环境灾难的避免。从这个角度看，技术的价值可能远超过潜在的伦理顾虑。

研究团队同时也在探索更加人道的方案。未来有望开发出完全无创的控制方法，比如通过光遗传学技术，利用光信号而非电信号来控制昆虫行为。同时，他们还在研究如何让昆虫在执行任务时获得“奖励”，从而建立一种互利共生的关系。

生物与技术融合的新纪元

仅仅68秒就造出一只活体机械蟑螂，这个数字不仅标志者生产效率的提升，更体现了人类对生命系统理解和利用能力的飞跃。我们正站在一个新纪元的门槛上，生物与技术的界限正在消融，这种混合系统展现出前所未有的潜力。

未来的发展方向同样令人期待。研究团队正在开发更小型化的控制系统，目标是将电子背包的整体重量降到1克以下。新一代的电极将采用柔性电子技术，能与昆虫身体更好地贴合。人工智能算法将赋予半机械昆虫自主决策能力，使它们能够独立完成复杂任务。

这项研究的成功也为其他生物机器人的开发铺平了道路。科学家们正在探索将类似技术应用于甲虫、蜻蜓、甚至更复杂的小型哺乳动物。每种生物都有其独特的优势，通过技术增强，它们将在不同领域发挥独特作用。

当科幻变成现实，当生命与机器融合，我们看到的不是自然的终结，而是进化的新篇章。这些半机械生物不是要取代自然，而是要增强我们与自然合作的能力，以共同应对人类面临的挑战。从实验室的第一只改造蟑螂，到如今的自动化生产线，这段旅程展现了科学创新的巨大力量。这，仅仅是一个开始。

参考文献：

1.Cyborg insect factory: automatic assembly for insect-computer hybrid robot via vision-guided robotic arm manipulation of custom bipolar electrodes