把果蠅變成「活體微型機器人」：小小昆蟲，如何被引導寫字、走迷宮、搬貨？
在微型機器人領域，工程師一直想做出能在狹小空間中移動、偵測、搬運，甚至群體協作的超小型機器人。問題是，機器人越小，製造越困難。要把電池、感測器、控制晶片、通訊裝置和運動結構全部塞進毫米尺度的身體裡，是一項高度複雜的工程挑戰。
這篇發表於 PNAS 的研究提出了一個很有意思的替代思路：與其從零開始製造一台毫米級機器人，不如利用自然界早已存在的微型移動平台，也就是果蠅 Drosophila melanogaster。果蠅身體長約 2.5 mm、寬約 1.5 mm，重量約 1 mg，卻已經具備感測、移動、避障、導航與環境互動能力。研究團隊因此把果蠅視為一種「活體微型機器人平台」，並嘗試用視覺刺激與神經操控來引導牠們完成類似機器人任務的行為。
為什麼是果蠅？
果蠅是生物學中最常用的模式生物之一。科學家已經累積了大量關於果蠅神經系統、感覺處理、運動控制與行為反應的知識，也發展出許多能精準操控特定神經元的基因工具。這讓果蠅不只是「很小的昆蟲」，而是一個可以被研究、調控，並用來測試工程概念的生物平台。
對微型機器人來說，果蠅最大的優勢在於牠本身已經解決了許多工程難題。牠的肌肉就是驅動系統，神經系統就是控制器，眼睛、觸角和其他感覺器官就是感測器，而牠的代謝系統則提供能量。若要用純機械方式重建這些功能，難度極高；但果蠅已經能在毫米尺度下完成這些事。因此，研究團隊的核心問題不是「如何做出一台像果蠅一樣小的機器人」，而是「能不能把果蠅的自然能力轉化成可引導、可重複、可協作的微型機器人功能」。
用視覺圖案引導果蠅行走
研究團隊首先利用果蠅的視覺反應來控制牠的行走方向。果蠅看到周圍有移動圖案時，會傾向跟著視覺運動方向調整自己的路徑。這種反應稱為視動反應，可以幫助果蠅在移動時維持穩定方向。
在實驗中，研究人員用投影機在果蠅周圍投射藍黑相間的旋轉風車圖案。當圖案順時針旋轉時，果蠅傾向向右轉；當圖案逆時針旋轉時，果蠅傾向向左轉。研究團隊再搭配攝影機即時追蹤果蠅位置，根據目標位置調整風車旋轉方向，就能讓果蠅在指定地點之間來回行走。
這套方法的表現相當穩定。研究中，視覺導引的果蠅遵循轉向指令的準確率約可達 94%。更重要的是，這種方法不需要在果蠅身上安裝任何硬體，也不需要對果蠅進行基因改造，只要利用外部投影與即時追蹤系統，就能引導牠的行走方向。
用光操控嗅覺神經，讓果蠅「聞到」方向
除了視覺導引，研究團隊也設計了另一種更接近神經工程的方法。果蠅原本就會根據左右觸角接收到的氣味強度差異來轉向。如果右側觸角感受到比較強的氣味，果蠅會偏向右轉；如果左側觸角感受到較強刺激，果蠅則會偏向左轉。
研究人員把這種嗅覺導向行為改造成光控系統。他們讓果蠅的嗅覺受器神經元表現光敏蛋白，使這些神經元能被特定顏色的光活化。接著，研究團隊在果蠅左右觸角塗上不同色素，讓紅光主要刺激右觸角、藍光主要刺激左觸角。如此一來，紅光就能誘發右轉，藍光則能誘發左轉。
這種方法相當於用光製造一個「假想的氣味方向」，讓果蠅依照被刺激的觸角轉向。研究結果顯示，嗅覺導引能讓果蠅走向指定空間位置，正確轉向比例約為 80%。研究團隊也進一步刺激果蠅腦中與嗅覺吸引和氣味追蹤有關的蕈狀體輸出神經元，發現特定神經元的活化可以提升嗅覺導引效果，部分條件下甚至接近視覺導引的表現。
果蠅真的能「寫字」
為了展示路徑控制的精細程度，研究團隊把一系列空間目標點排成英文字母，讓果蠅依序走過這些點。果蠅的行走軌跡就像筆畫一樣，最後能拼出 HELLO WORLD。
這個實驗看起來像是有趣的展示，但背後其實有重要意義。它代表果蠅不只是能被引導往左或往右，也可以被安排依序拜訪一連串指定位置。對未來應用來說，這種能力可能對微型巡檢、環境採樣、區域搜尋或小尺度任務規劃有幫助。研究也顯示，視覺導引和嗅覺導引都能讓果蠅產生類似文字筆畫的行走軌跡，只是視覺導引的準備較直接、表現也較穩定。
果蠅可以走迷宮，也可以搬運微小貨物
研究團隊接著測試果蠅在更受限制的環境中是否仍能被導引。他們設計了一個帶有主路線與死巷的迷宮，讓果蠅依照投影圖案的引導沿著指定路徑前進。結果顯示，有視覺導引時，果蠅多半能沿著主路線移動；沒有導引時，果蠅則會比較自由地探索整個迷宮。這說明視覺導引不只適用於開放空間，也能在類似狹窄通道或分隔環境的場景中發揮作用。
搬運能力也是微型機器人很重要的功能。研究人員把不同重量的小物體固定在果蠅胸部，觀察牠們是否能在視覺導引下於兩個指定位置之間移動。結果顯示，果蠅能可靠搬運最高約 1.1 mg 的負重，這大約相當於牠自己的體重。當重量再增加時，行走表現明顯下降。不過在較輕負重下，有些果蠅能長距離反覆行走，總移動距離可達數百公尺，換算成身體長度，是極其驚人的尺度。
多隻果蠅也能被同時控制
微型機器人的另一個重要方向是群體協作。單一微型個體能做的事情有限，但如果許多小型個體能被同時引導，就可能像蜂群或蟻群一樣完成更複雜的任務。
這篇研究也展示了多隻果蠅的同步控制。研究團隊讓多隻果蠅在同一空間中同時「寫字」，每隻果蠅都像一支筆，共同產生多組 HELLO WORLD 的行走軌跡。當多隻果蠅彼此靠近時，投影圖案可能重疊，控制精度會稍微下降，但整體表現仍然穩定。
研究人員也利用光遺傳學啟動能讓果蠅停止行走的神經元，使多隻果蠅能在指定位置停下，形成不同空間隊形。這相當於生物版的群體機器人隊形控制。果蠅可以被引導到不同位置，並在抵達後被暫時「停住」，使研究團隊能讓牠們在兩種隊形之間切換。
這篇研究真正重要的地方
這篇研究最有趣的地方，不只是果蠅能走出文字、通過迷宮或推動小球，而是它提出了一種不同於傳統機器人工程的思考方式。傳統微型機器人通常從機械設計開始，要一步步解決材料、製造、能源、感測、控制與運動問題。這篇研究則反過來利用自然界已經存在的生物能力，把工程重點放在如何引導、整合與利用這些能力。
果蠅不是單純聽令行事的機械裝置。牠有自己的感覺輸入、行為偏好和自主決策。研究人員可以透過視覺或嗅覺訊號引導牠走向某個位置，但接近物體後是否互動、如何互動，仍由果蠅自身的神經系統與運動程式決定。這讓果蠅作為微型平台時兼具優勢與不確定性。優勢在於牠能自動處理許多複雜環境訊號，不需要外部系統控制每個細節；不確定性則在於牠畢竟不是完全可預測的機械結構。
從更大的角度看，這項研究展示了生物學、神經科學與機器人工程交會後可能產生的新型技術。未來的微型機器人不一定只由金屬、塑膠、晶片和馬達組成，也可能包含活細胞、肌肉、昆蟲，甚至整個生物體。果蠅這種小小昆蟲，因為具備高度成熟的神經與運動系統，反而可能成為探索微型機器人新方向的重要起點。
*使用ChatGPT協助文字編輯
撰文：廖晨絜
原始論文：Iwasaki, K., Neuhauser, C., Stokes, C., & Rayshubskiy, A. (2025). "The fruit fly, Drosophila melanogaster, as a microrobotics platform." Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(15), e2426180122.
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