一半昆蟲，一半機械，活蜻蜓無人機試飛成功，開啟「賽博格」半機械化生物時代

喜歡科幻電影的朋友都知道，廣義的賽博格（Cyborg）指的就是半生物半機械。但如今這並非只是科幻，科技已經將其變成現實。

一直以來，仿生學家都期望能夠模仿造物主鬼斧神工的生物設計和構造。雖然科學家已經儘可能地從各個方面模仿自然界中昆蟲的飛行來製造微型無人機，然而目前還沒有任何機械仿生無人機能夠比得上昆蟲本身的飛行效率和機動性。

但你見過半機械活蜻蜓嗎？科學家通過基因編輯技術，設計出一半是昆蟲、一半是機械的活蜻蜓機器人，而且還試飛成功了。

一家位於馬薩諸塞州劍橋市的研發公司 Draper 就提出來一種「雙贏」的方法——將科技與生物相結合，用技術改造蜻蜓本身，使其獲得可控制及自主導航飛行功能。這家初創公司源自麻省理工學院。

Draper工程師們將微型導航技術、合成生物技術以及神經科學技術相結合，開發出一種新型混合無人機系統——可控制的「蜻蜓無人機」。這隻蜻蜓名為「DragonflEye」，它背了一個指甲大小的控制「背包」，裡面配置了太陽能電池、控制器和感測器，可供操作人員遠程控制。

在全球蜂群銳減的情況下，DragonflEye的微型引導 「背包技術」系統將能夠協助昆蟲進行授粉，並且有望通過檢測蜂群的飛行模式、遷徙及整體健康狀況等找出其數量減少的可能原因。

舉例而言，蜜蜂作為自然界最重要的授粉昆蟲之一，每年為美國農業貢獻超過 150 億美元的產值，但其種群密度卻在最近 25 年來縮減了一半，這其中實際上存在相當的市場空間。

圖 | 一比一大小的蜻蜓模型及第一代背包導航系統，包括能量收集、導航及光刺激模塊等

與傳統生物機器人相比，DragonflEye 的獨特之處在於，它不需要「欺騙」昆蟲的感受器或直接控制它的肌肉，而是使用光學電極來對經過基因編輯的昆蟲神經系統發號施令。

這意味著，蜻蜓可以在保留其原生飛行技能的前提下被操控飛行，而這是其他微型空中機器人所不具備的。

「DragonflEye 代表的是一類全新的微型飛行器，比其他任何人造飛行器都更加微小、輕盈和隱秘。」 Draper公司生物醫學工程師兼該項目首席研究員Jesse J. Wheeler稱。「這種飛行器將能量收集、運動感知、演算法、微型化以及光遺傳學（optogenetics）等各種先進技術都集成在一個昆蟲能夠負載的微型背包系統中。」

研究團隊表示，之所以選擇蜻蜓而不是別的昆蟲作為實驗對象，主要是因為蜻蜓擁有諸多優點：

· 蜻蜓廣泛存在，取材方便；

· 蜻蜓在僅有約 600 毫克的重量下，能實現 9 倍重力加速度，並且體積小，擅於長途飛行；

· 與機械飛行機器人相比，蜻蜓機器人可以通過捕食自行補充能量，而控制系統的能源也可以通過太陽能解決，因此在續航和效率方面更有優勢。

圖 | DragonflEye下一步研發將集中在增加監測與控制功能及減少控制背包重量方向上

DragonflEye 項目是 Draper 公司與霍華德·休斯醫學研究所（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）下屬的新型科研機構 Janelia Farm 所屬團隊合作的成果，該團隊開發出一種新型光遺傳學工具，能夠從微型背包向蜻蜓神經系統中與轉向相關的特定神經元發送「控制命令「。

這項由霍華德·休斯醫學研究所研究員 Anthony Leonardo 領導的前期研究，進一步增強了研究者對蜻蜓神經系統中控制飛行的「轉向神經元」的深入理解。這些研究者們嘗試利用合成生物技術，將具有類似於眼睛感光功能的基因片段嵌入蜻蜓的「轉向神經元」中，從而使這些神經元具有光刺激敏感性。

Draper公司的研究者則致力於開發一種稱為「光極」（optrodes）的微型光學結構，能夠從微型背包系統發出光脈衝，進入蜻蜓的神經索並激活其特定的「轉向神經元」。

傳統光纖過於堅硬，不適於包裹蜻蜓微小而脆弱的神經索。所以，Draper公司開發出一種新型柔性「光極」結構，能夠以亞毫米級精度彎曲光束，從而能夠精準地定位神經激活的靶向位置，並且不會損壞相鄰的成千上萬的神經元。

「總有一天，這類工具（光極）也會用於改進人類的醫學治療，提升療效的同時副作用更小」，Jesse說。「我們的柔性光極技術提供了一種新的解決思路，使得微型診斷、安全接入微小神經目標以及高精準藥物遞送等成為可能。」

這種「蜻蜓無人機」目前已經成功實現了試飛，但從嚴格意義上講，其實是蜻蜓本身的自主飛行。但 Draper 公司在各相關領域完善的技術解決方案，則是製造這種神奇的生物機器人的關鍵所在。

以下是該公司的部分技術解決方案：

定位、導航及授時（PN&T）：通過精密硬體技術、全面的演算法及軟體開發技術，以及獨特的基礎架構等，開發並提供新型PN&T系統解決方案，來解決引導、導航和控制問題。包括從高精準的洲際、潛射彈道導彈的慣性解決方案，到炮射彈藥的集成慣性導航系統，再到GPS不適用的苛刻環境下士兵導航等解決方案。

自主系統：通過綜合其任務規劃、PN&T、情境感知等技術，開發和部署用于海、陸、空以及水下需求的自主系統。這些自主系統依複雜度不同分為涉及人類干預的系統和沒有人類干預的完全自主系統。

微系統：通過定製封裝與互連技術相結合，將超高集成密度（iUHD）的異構組件模塊使得系統在保證功能性的同時，尺寸足夠微小。

生物醫學解決方案：Draper公司的生物醫學方案解決能力主要集中在微系統、微電子、計算建模、演算法開發以及圖像和數據分析等應用上，主要涉及生物醫療及相關領域。具體包括應用於可穿戴或可植入的醫療裝置、器官輔助裝置以及藥物遞送系統等的MEMS、微流控以及納米結構技術等。

材料工程及微加工：Draper公司在宏觀、微觀及納觀尺度範圍設計、表徵及加工不同材料的專業技能。在多尺度範圍理解材料的物理性質及行為，對於成功利用其設計組件或系統是至關重要的。

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