蟲機合體

機械與昆蟲合體的微型飛行機器，結合了微機械與生命科學，讓我們能夠遙控甲蟲。這樣的生化昆蟲，能夠飛入狹小的空間，未來可能在戰爭或災難中拯救生命。機械與昆蟲合體的微型飛行機器，結合了微機械與生命科學，讓我們能夠遙控甲蟲。這樣的生化昆蟲，能夠飛入狹小的空間，未來可能在戰爭或災難中拯救生命。 

撰文╱馬哈畢茲（Michel M. Maharbiz）、佐藤隆（Hirotaka Sato）

翻譯／周坤毅

重點提要
■ 軍事用途：軍方希望發展微型機器人，好讓機器人飛入洞穴或是密閉空間內，回傳敵人與武器等即時情資。
■ 技術難關：目前微型仿生飛行器的耗能太高，微型電池僅能維持數分鐘的自由飛行。
■ 可能辦法：昆蟲自古以來就是超級節能的飛行好手，將攝影機與其他裝備黏到昆蟲背上，就能控制其飛行模式與目的地。
■ 目前進度：美國加州大學柏克萊分校、麻省理工學院與康乃爾大學的研究人員，已經成功遙控大型甲蟲起飛、停止、左右轉彎與繞圈飛行。

蒼蠅可說是航空工程學的奇蹟。蒼蠅能及時躲開蒼蠅拍的原因，在於牠拍動翅膀的速度極快，高達每秒200次。為了達成如此驚人的高速，蒼蠅擁有複雜的生物力學構造：牠的翅膀並未直接連接胸部的肌肉，反而是有節奏地收縮與放鬆肌肉來改變胸部的形狀，利用胸部的變形使翅膀產生共振，就像敲擊音叉產生振動。如此一來，蒼蠅只需花費非常小的力氣，便能將極少的能量轉換為極快的翅膀運動。

由於電子電路與微製程技術的進步，工程師得以模仿蒼蠅製作出微型飛行器。2008年，荷蘭德芙科技大學的研究員發表了重量僅3公克、翼展100毫米的「德芙勒微型攝影飛機」（DelFly Micro）。美國哈佛微型機器人實驗室發展的仿生飛行器更輕，只有0.06公克，仍比蒼蠅重四倍，而且一旦升空後，飛行器的路徑便無法控制。機械昆蟲的最大弱點還是飛行所消耗的能量，目前還沒有人知道如何在微型電池中塞入足夠的能量，好讓機械昆蟲能持續飛行數分鐘以上。

過去幾年，我們發現了避開這項技術難關的捷徑。與其從無到有製作機械昆蟲，不如利用真的昆蟲做為飛行載具。如此我們省去了笨重的電池與微製程技術，能專注在控制系統上，僅在必要時改變昆蟲的飛行路徑。換句話說，當昆蟲自由飛行時，操作員能遙控植入昆蟲神經系統的電路，將左轉、右轉、上升、下降等飛行指令下達給昆蟲。因此，我們實際上是創造了融合機械與昆蟲的生化飛行器。

我（馬哈畢茲）是在五年前參加由美國國防高等研究計畫署（DARPA）主辦的生化飛行器研討會時，得到這個想法的。那時我只是個微製程技術的專家，對昆蟲所知有限。在研討會中，與會學者探討了數種技術，能讓生物學家接收、記錄昆蟲飛行時單一肌肉的電流訊號。根據這些成果，DARPA 的計畫經理、研討會主辦人拉爾（Amit Lal）認為，時機已經成熟，可以開始研究能否透過植入肌肉的微型電路傳送電子訊號，控制昆蟲的移動方向

生化昆蟲在軍事上應用的潛力極大，包括偵測建築物、洞穴中的敵人數目與身分，以便決定是否要派遣部隊進攻。這種機械生物也能用於非軍事用途，例如尋找地震殘骸中的生還者。

為何選擇甲蟲？

在DARPA研討會之前，就有許多模仿蝗蟲、蛾與蒼蠅飛行模式的傑出研究。藉由這些前輩的成果，我希望能減少走錯第一步的機率，畢竟在探索全新研究領域時，常常敗在錯誤的起始方向。蛾與蝗蟲體型雖大，但無法承載太多重量，因此遭到淘汰，只剩下蒼蠅。

蒼蠅擁有許多優點。首先，生物學家對蒼蠅瞭若指掌。加州理工學院的狄金生（Michael H. Dickinson）與同事就能巨細靡遺地描述，蒼蠅須在何時、何處收縮哪一條肌肉，才能產生升力或轉向。此外，蒼蠅善於利用能量，因此能以驚人的速度拍動並操縱翅膀。然而，從工程師的角度來看，蒼蠅是很難的研究對象。牠們實在太小了，幾乎得靠奈米級的外科手術，才能將線路植入蒼蠅體內，但是我並非奈米外科手術醫生，因此我開始思考其他選項。蜻蜓的體型夠大，也是飛行好手，但牠們十分脆弱。蟑螂或許有可能。

【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2011年第108期2月號】