摘要：在听觉医学与生物工程领域，声源定位能力是人工听觉设备的核心挑战。传统的助听器和人工耳蜗植入器件可以放大声音，但在实际使用中往往需要频繁地调节和较高的功耗，尤其是在嘈杂的环境中或需要精确定位声音的场景中助听功能更受限制。此外，目前可人工耳蜗电极通道数不足天然耳蜗
1、Science Advances | 伦敦大学学院宋文辉教授团队开发仿生压电纳米纤维智能听觉系统，突破耳蜗声源定位技术瓶颈
在听觉医学与生物工程领域，声源定位能力是人工听觉设备的核心挑战。传统的助听器和人工耳蜗植入器件可以放大声音，但在实际使用中往往需要频繁地调节和较高的功耗，尤其是在嘈杂的环境中或需要精确定位声音的场景中助听功能更受限制。此外，目前可人工耳蜗电极通道数不足天然耳蜗听觉神经节神经元通道的0.04%，导致频谱解析能力低下，严重影响患者声音感知与复杂环境下的言语识别。开发兼具高灵敏度、多维度声源定位能力的下一代人工听觉系统迫在眉睫。
针对这一挑战，伦敦大学学院宋文辉教授团队在《科学·进展》发表最新研究成果，报道了一种基于压电纳米纤维与人工智能 (AI)的仿生智能听觉系统。该系统利用神经网络辅助下压电纳米纤维声波传感器来处理声音，模拟人类听觉系统对声音的捕获、处理和理解方式。
图1：仿生压电纳米纤维智能听觉系统示意图
研究团队受人类耳蜗基底膜结构的启发，设计出非对称螺旋蹦床状压电纳米纤维阵列（ST-PiezoAD），结合深度学习算法，实现了三维空间全方向声源定位。该系统采用高声压电性能的聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）与钛酸钡（BaTiO3）纳米复合纤维，通过独特的仿生制造技术，实现了纳米纤维取向和长度梯度螺旋排布结构，模拟耳蜗基底膜将声波转换为神经信号和频率分析的功能。当声波作用时，压电纤维阵列将声波转化成电信号，并通过多阶共振产生类似耳蜗听觉感知和比较双耳时间差和双耳声级差电信号，而且能覆盖语音宽频率范围。为解析声源信息，研究团队开发了仿听觉处理的神经网络新架构，对声压电信号进行多维特征提取、分析和识别。实验表明，系统在水平与垂直方向都表现出较高的定位准确率，并能实现语音识别和音乐转换等复杂听觉功能。
该研究通过先进压电纳米材料，仿生设计，精密制造与人工智能的深度融合，突破了传统声学器件的物理局限。宋文辉教授指出：“这一进展标志着我们迈向下一代人工智能听力器件和系统的重要一步。我们设计开发的系统不仅能自驱动捕捉声音，还能以类似人类听觉的方式解读声音，从而提供更自然的聆听体验，有望在不远的将来开发出新一代智能助听器，显著改善听力损失人士及家人的生活质量。”目前，团队正推进器件微型化集成和商业落地，未来有望通过增加纳米纤维通道数逼近天然基底膜性能，进一步提升语音与音乐感知质量。
论文信息标题：Piezoelectric nanofiber–based intelligent hearing system
作者：Jinke Chang, Wenhui Song* et al.期刊：Science Advances
文章来源：国际仿生工程学会
科学家与厨师合作，打造出一款可被全部食用的机器人婚礼蛋糕。图片来源：EPFL
想象一下这样的未来图景：水上机器人化为锦鲤群游时争相啄食的饵料、机器人跳完舞再变身美味的蛋糕……这些弥漫创意和烟火气的科技构想，如今正在走进现实。
瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）科研团队以鱼饲料为原料，打造出一款水上机器人，在完成使命后，便会化作鱼群的美餐自然降解。此前，该校科学家还与意大利科学家携手，推出一款可完全食用的机器人婚礼蛋糕RoboCake。
可食用机器人不仅有助巧妙化解传统电子设备污染难题，还正在开启多重领域的创新之门，有望在医疗保健、环境管理等方面大显身手。
既是工具 又是食物
在EPFL智能系统实验室内，达里奥·弗洛雷亚诺教授团队打造出的水上机器人形似微型摩托艇，长约5厘米，平均重1.43克，在水中最快每秒可移动3倍身长。
这款机器人的奥秘在于其独特的构造。主体结构由冻干鱼饲料构成，动力源自水触发的化学反应：柠檬酸与碳酸氢钠发生反应产生二氧化碳，气体压力迫使丙二醇喷出，导致局部水面张力骤降形成推力，可推动机器人持续运动数分钟。
而且机器人所有组件均可生物降解。研究人员表示，当机器人完成任务后，它会像泡发的茶叶一样吸水变软，慢慢沉入水中，成为鱼儿的美餐。
弗洛雷亚诺主导的“机器食品”（RoboFood）项目于2021年启动，旨在打造可食用机器人，用于食品保鲜、紧急营养补给、人类和兽医学等领域，获欧盟350万欧元资助。该实验室已研发多项创新成果，如可食用流体电路、用于监测作物生长的可食用导电油墨等。
“机器食品”的最新杰作是RoboCake。这款三层婚礼蛋糕顶部装饰着石榴口味的明胶软糖机器人，可借助气动系统活动头部和手臂；底层嵌有由维生素B2、槲皮素和巧克力制成的可食用电池，能为LED蜡烛供电。
弗洛雷亚诺表示，他们正在重新定义机器人与食物的界限，未来的机器人可能既是工具，又是食物。
应用广泛 利于环保
弗洛雷亚诺认为，其团队研制的水上机器人不仅为环保监测提供了新思路，还可革新水产养殖业的投药方式。
水上机器人的应用只是冰山一角。EPFL科学家曾在《自然·评论材料》杂志撰文称，可食用机器人有望在医疗保健、环境监管等领域发挥作用。
可食用机器人可实现精确药物输送和体内健康监测。具体而言，它能沿着食道移动递送药物，帮助吞咽困难的人或动物，降低吸入性肺炎的风险，或在消化道内实时监测健康状况。
可食用机器人还可在紧急情况下为人或动物提供营养。比如其特别适合野生动物救援，因为动物对移动食物源有天生的兴趣。在水产养殖中，这种特性可以提高饲料利用率，减少水体污染。
同时，移动式可食用机器人外形可模拟野生动物喜爱的食物，内置疫苗和定位系统，主动吸引野猪等野生动物接种疫苗，以有效控制疾病传播。
此外，可食用机器人还能给人提供新颖的美食体验。例如，RoboCake咬下第一口是浓郁的黑巧克力味，随后会让人感受到电解质的微酸刺激，这种“会变味的蛋糕”展现了食品科技的无限可能。
最重要的是，在全球每年产生4000万吨电子垃圾的背景下，可食用机器人这种“从自然中来，回自然中去”的设计理念，正在重新定义科技与环境的和谐关系。
风险挑战 仍需关注
在可食用机器人快速发展的同时，科学家们在审慎思考其潜在风险以及面临的挑战。
首先是智能计算难题。现有计算系统依赖传统晶体管，无法食用；类胡萝卜素、食用染料等生物分子虽可食用，但信息处理与整合能力有限，如何打造既智能、又可消化的计算系统仍是重大课题。
另一大挑战是，可食用机器人安全性缺乏验证。虽然其材料都是可消化且被认为是安全的，但有科学家担心，虽然一些可食用机器人的成分单独食用是安全的，但多种成分交叉反应后，可能导致无法预见的不良后果。
小型化和质量控制也是可食用机器人亟待解决的难题。如果这些机器人旨在评估身体机能并自主执行医疗干预（如精准给药），其体积必须足够小。此外，与相对简单的单纯营养机器人不同，这种机器人由更多组件构成，且组件间必须协同工作，任何故障都可能导致灾难性后果。因此，必须进行质量控制，确保其在体内运作时万无一失。
此外，弗洛雷亚诺团队还指出，延长可食用机器人的保质期，并赋予其令人愉悦的味道，也是亟待解决的难题。
文章来源：科技日报
3、脑机接口赋能 “信鸽机器人”：从实验室到户外的飞行控制新突破
信鸽机器人融合脑机接口与微机电技术，在灾害救援等领域具有广阔的应用前景，但其户外飞行高度控制是关键挑战。南京航空航天大学与中国科学院团队合作，首次将研究拓展至真实环境，提出基于鸽子中脑蓝斑核（LoC）的神经刺激方法，通过分析刺激频率、间隔、周期参数对高度的影响，证实 LoC 核电刺激可实现精准控制，为动物机器人户外作业奠定理论基础。相关研究以“Dynamically Controlled FlightAltitudes in Robo-Pigeons via LocusCoeruleus Neurostimulation”为题发表在Research上。
Citation:
Fang K, Wang Z, Tang Y, Guo X, Li X, Wang W, Liu B, Dai Z. Dynamically Controlled FlightAltitudes in Robo-Pigeons via LocusCoeruleus Neurostimulation. Research 2025; 8: Article 0632.
研究背景
信鸽机器人（Robo-pigeon/Cyborg pigeon）是一类结合微型植入式脑机接口（BCI）与微机电系统（MEMS）技术开发的新型混合智能机器人系统。通过将真实鸽子的感知、运动及自主智能与MEMS所具备的高精度、可重复性和可控性相融合，形成了灵活高效的“生物飞行平台”，在灾害救援、国防安全和环境监测等关键领域具有广阔应用前景。
然而，户外环境中信鸽机器人飞行运动行为的精准、可靠控制仍是艰巨挑战，尤其是飞行高度的调控。飞行高度不仅直接影响信鸽机器人在复杂三维空间中的导航能力，也与其在动态环境中的适应性、稳定性和任务执行成功率密切相关。因此，实现对信鸽机器人飞行高度的精确控制是动物机器人走出实验室，面向户外环境作业的核心一环。
研究进展
为了解决信鸽机器人在户外飞行高度控制方面的难题，南京航空航天大学机电学院戴振东教授团队与中科院自动化研究所脑机接口与融合智能团队展开深入合作。研究团队首次将信鸽机器人飞行调控研究从室内拓展至户外真实飞行环境，提出了一种基于信鸽中脑蓝斑核（Locus Coeruleus,LoC）的定量神经刺激方法；通过围绕刺激频率（SF）、刺激间隔（ISI）和刺激周期（SC）三个关键参数，系统探究它们对于信鸽机器人飞行高度控制的影响（图1）。
图1 神经刺激对信鸽机器人飞行高度的动态控制示意图
研究结果表明，刺激频率（SF）是决定信鸽机器人飞行模式（上升或下降）的关键“开关”。当SF为60 Hz时，能有效控制信鸽机器人平均上升飞行12.241米，成功率高达为87.72%；相较之下，SF为80 Hz时则能有效控制信鸽机器人平均下降飞行15.655米，成功率高达90.52%（图2）。与此同时，SF低于40 Hz几乎对飞行高度无显著影响，而SF超过100 Hz则易导致飞行状态不稳定。研究还发现，刺激周期（SC）的数量直接决定高度变化幅度，在同一频率条件下，增加SC能使鸽子的上升或下降幅度进一步提高，实现对高度调节的定量可控（图3）。至于刺激间隔（ISI），虽然其对高度本身的影响不如SF和SC明显，但在一定条件下会影响飞行速度与鸽子的神经疲劳程度。适当延长ISI有助于减轻神经疲劳，从而在响应灵敏度和飞行稳定性之间达到平衡。值得注意的是，LoC核的电刺激对于飞行方向影响不大，信鸽机器人在飞行爬升或下降时依然能保持原有航向，轨迹曲率未现明显变化，这为“独立控制飞行高度而不干扰水平航向”提供了可行路径。
图2 不同刺激参数下信鸽机器人飞行高度控制的平均成功率
图3 不同刺激参数下机器鸽子飞行特性的动态变化
该研究首次明确了LoC核定向电刺激在信鸽机器人中实现飞行高度精准控制的潜力，为动物机器人的可控飞行作业建立了新的理论与技术支撑。
未来展望
在可预见未来，信鸽机器人技术将为多个领域带来新机遇。在灾难救援中，搭载摄像头与传感器的信鸽机器人可凭借其敏捷度与自发避障能力深入险峻地形或废墟缝隙执行搜寻；在环境监测与城市巡检中，它能长时巡航并实时采集多维度数据，构建更完善的环境信息网络。
更重要的是，信鸽机器人所采用的脑机接口和闭环控制技术，将为半生物无人机或新型仿生飞行器的研发提供思路。通过深入研究飞行动物的神经调控机制，我们不仅可进一步完善飞行控制算法，也能对鸟类自身的运动生理学及神经科学产生更深入认识。随着技术的不断迭代，“信鸽机器人”在更多实际场景中都可能展翅高飞，成为融合生物与工程的新型载体。
作者简介
戴振东，教授，国际仿生工程学会Fellow，享受国务院政府特殊津贴，在2011年、2019年和2021分别获得教育部、江苏省技术发明二等奖，主要从事生物信息与仿生调控、仿生机器人、仿生功能材料、多维力传感器等方面的研究，致力于推动仿生学研究的产业化。
王周义，南航机电学院副教授，主要从事动物运动行为及仿生机器人研究，围绕动物运动结构-功能关系，在仿生机械结构设计、动物机器人行为与调控等方面做了一系列交叉科学研究。
文章来源：Research
来源：爱就旅行
