机器视觉引导的自动装配系统实现昆虫-计算机混合机器人的规模化生产

本研究针对昆虫-计算机混合机器人(cyborg insects)手工组装效率低、一致性差的问题，开发了一套基于机器视觉引导的自动装配系统。研究人员通过优化双极电极(bipolar electrodes)设计和神经刺激方案，实现了对马达加斯加蟑螂(Gromphadorhina portentosa)转向和减速的精确控制。该系统仅需68秒即可完成组装，成功率达86.7%，显著提高了生产效率。这项发表于《Nature Communications》的研究为昆虫机器人的规模化应用提供了关键技术支撑。

　　

在探索复杂地形导航的机器人解决方案中，昆虫-计算机混合机器人(insect-computer hybrid robots)展现出独特优势。这类生物机器人结合了活体昆虫卓越的运动能力和电子设备的可控性，但长期以来受限于手工组装的低效率和高技术门槛。传统方法需要熟练操作者花费约15分钟完成一只昆虫的电极植入，且成功率与操作者经验密切相关。这种低效的手工流程严重制约了昆虫机器人的规模化应用，特别是在需要多机器人协同的搜救、勘探等场景中。

为解决这一瓶颈问题，研究人员开发了一套革命性的自动装配系统。该系统创新性地将机器视觉、机器人操作和定制化双极电极(bipolar electrodes)技术相结合，实现了昆虫-计算机混合机器人的高效、标准化生产。研究首先确定了蟑螂前胸背板(pronotum)和中胸(mesothorax)间的节间膜(intersegmental membrane)作为最佳电刺激靶点，通过神经电生理实验证实3.0V电压可产生显著神经反应而不造成损伤。随后设计了一种具有微针结构的双极电极，采用多材料3D打印和选择性化学镀铜技术制备，其阻抗低于70Ω，远优于传统非侵入式电极。

关键技术包括：(1)基于TransUNet深度学习模型的视觉定位系统，准确识别昆虫解剖标志(mIoU 0.9326)；(2)UR3e机械臂精确操控，植入角度控制在157.8°-167.5°之间；(3)定制化固定结构，通过可调压力暴露节间膜；(4)多材料3D打印结合化学镀技术制备双极电极；(5)UWB超宽带定位系统实现多机器人协同导航。实验使用5-7cm成年雄性马达加斯加蟑螂，通过CO₂麻醉后进行装配。

研究结果显示：在运动控制方面，自动组装的混合机器人表现出与手工组装相当的操控性能，平均转向角度达70.9°(左)和79.5°(右)，减速刺激可使行走速度从6.3cm/s降至2.0cm/s。特别值得注意的是，系统仅需68秒即可完成一只昆虫的装配，成功率在5.0-6.0cm体长组达到80-86.7%。在群体应用测试中，4只机器人能在10分31秒内覆盖80.25%的障碍地形，显著优于单机14-45.75%的覆盖率。

这项研究的意义在于：首先，建立了昆虫-计算机混合机器人的自动化生产流程，解决了规模化应用的关键瓶颈；其次，发现了前胸背板节间膜这一新的有效刺激靶点，拓展了运动控制方式；第三，开发的多机器人协同系统展示了在复杂环境中的实用潜力。研究人员Qifeng Lin、Nghia Vuong等开发的这套系统不仅提高了生产效率，还通过标准化流程保证了产品质量的一致性，为未来建立"昆虫机器人工厂"奠定了基础。

该研究的创新点还体现在：双极电极的微针设计实现了快速穿刺和自锁定；深度学习辅助的视觉定位克服了昆虫个体差异；化学镀铜工艺优化了电极导电性和机械强度。这些技术进步共同推动了生物机器人领域的发展，为搜救、勘探等应用场景提供了新的技术方案。随着进一步集成各类微型传感器，这类混合机器人有望在更多复杂环境中发挥独特作用。