摘要：东北大学研究团队通过深入分析鳗鱼独特的运动控制机制，成功开发出能够在水陆两栖环境中自主导航的仿生机器人系统。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究揭示了鳗鱼即使在脊髓受损情况下仍能保持协调运动的神经学秘密，为开发高度适应性机器人技术开辟了全新路径。

信息来源：https://techxplore.com/news/2025-09-pressure-keys-eels-remarkable-locomotive.html

东北大学研究团队通过深入分析鳗鱼独特的运动控制机制，成功开发出能够在水陆两栖环境中自主导航的仿生机器人系统。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究揭示了鳗鱼即使在脊髓受损情况下仍能保持协调运动的神经学秘密，为开发高度适应性机器人技术开辟了全新路径。

研究发现，鳗鱼卓越的运动能力源于其身体感受器系统对拉伸和压力信号的精确整合处理。与大多数脊椎动物不同，鳗鱼不仅能够在水中灵活游动，还具备在陆地环境中移动的能力，更令人惊讶的是，即使遭受严重脊髓损伤，这些生物仍能维持基本的运动协调性。这种非凡的适应能力长期困扰着神经生物学家，直到现在才被科学地解析。

东北大学前沿交叉科学研究所助理教授安井光太郎领导的国际研究团队，通过构建创新的神经回路数学模型，成功破解了这一生物学谜题。他们的研究不仅加深了对进化生物学的理解，更重要的是为机器人技术的发展提供了革命性的设计理念。

多感觉融合控制的生物学机制

研究团队通过精密的实验设计，揭示了鳗鱼运动控制系统的核心特征。他们发现，鳗鱼身体的每个部分都拥有独立的神经回路单元，类似于中枢模式发生器，这些单元能够产生自主的运动节律。更关键的是，这些神经回路能够实时整合来自皮肤拉伸感受器和压力感受器的反馈信息，从而实现对不同环境条件的动态适应。

图片来源：东北大学

拉伸反馈机制在鳗鱼的运动控制中发挥着至关重要的作用。当鳗鱼的身体弯曲时，肌肉和皮肤的拉伸程度会产生相应的神经信号，这些信号能够调节相邻身体节段的运动模式，确保整体运动的协调性。同时，压力感受器能够感知来自水流或地面的外部阻力，帮助鳗鱼调整推进力的方向和强度。

这种分布式控制系统的优势在于其高度的鲁棒性和适应性。即使部分神经连接受损，其他区域的神经回路仍能通过感觉反馈维持局部的运动协调。这一发现彻底改变了科学界对脊椎动物运动控制的传统认知，证明了去中心化控制策略在生物系统中的重要价值。

通过精心设计的脊髓横断实验，研究团队进一步验证了这一理论。实验结果显示，即使在脊髓完全断裂的情况下，鳗鱼仍能通过局部感觉反馈维持基本的游泳动作，这为理解脊髓损伤后的运动恢复机制提供了重要启示。

仿生机器人的技术突破

基于对鳗鱼运动机制的深入理解，研究团队成功开发了一款具有革命性意义的仿生机器人。这款机器人完全模拟了鳗鱼的身体结构和神经控制系统，每个身体节段都配备了相应的拉伸和压力传感器，并通过分布式控制算法实现了类似生物体的运动模式。

机器人实验的结果令人印象深刻。在水中测试时，该机器人展现出了快速稳定的游泳能力，其运动效率和灵活性都接近真实鳗鱼的水平。更重要的是，当转移到陆地环境时，同一套控制系统使机器人能够实现有效的爬行运动，这证明了该控制策略的通用性和适应性。

在障碍物导航测试中，机器人展现出了出色的环境适应能力。当遇到障碍物时,拉伸反馈机制能够自动调整身体各部分的运动协调，产生向前的推进力，帮助机器人成功绕过障碍。这种自适应行为完全依靠局部感觉反馈实现，无需复杂的中央处理器进行路径规划。

特别值得注意的是，研究团队还测试了机器人在"受损"状态下的性能表现。通过人为断开部分控制单元之间的通讯连接，模拟脊髓损伤的效果，机器人仍能维持基本的运动能力。这一特性对于在极端环境中工作的机器人具有重要意义，因为它们可能面临设备损坏或通讯中断的风险。

进化生物学的新认知

这项研究的意义超越了工程技术领域，为进化生物学提供了重要的新见解。东北大学电气通信研究所教授石黑昭夫指出，发现游泳神经回路同样支持陆地运动，表明脊椎动物在从水生环境过渡到陆地环境的进化过程中，可能并不需要开发全新的神经控制系统。

本研究概述。(A) 鳗鱼等细长鱼类的身体和神经回路模型示意图。(B) 已开发的鳗鱼机器人的 CAD 图像。(C) 我们结合动物实验、模拟实验和机器人实验的跨学科方法。(D) 测试了各种神经回路。图片来源：美国国家科学院院刊(2025)。DOI：10.1073/pnas.2422248122

这一发现挑战了传统的进化理论观点。以往科学家认为，动物适应新环境需要进化出专门的神经结构和控制机制。然而，鳗鱼的例子表明,灵活的神经回路可以通过重新配置来适应完全不同的环境条件，这种策略在进化上更加经济高效。

从进化的角度来看，这种多功能的神经控制系统具有明显的适应优势。它允许生物体在面对环境变化时快速调整行为模式，而无需等待漫长的基因突变和自然选择过程。这可能是某些物种能够成功跨越不同生态位的关键因素。

研究还揭示了分布式控制在生物系统中的普遍性和重要性。与高度集中化的人工系统不同,生物系统往往采用分布式的信息处理和决策机制,这使得它们在面对局部损伤或环境干扰时具有更强的鲁棒性。

未来应用前景

这项研究的实际应用前景极为广阔，特别是在需要高度适应性的机器人应用领域。安井光太郎表示，基于这一原理开发的机器人系统将能够在复杂且不可预测的环境中高效导航，这对于搜索救援、深海探索、管道检查等任务具有重要价值。

在医疗康复领域,这一发现可能为脊髓损伤患者的治疗提供新思路。通过理解局部感觉反馈如何维持运动协调,医学研究者可能开发出更有效的康复训练方法或神经刺激技术,帮助患者恢复部分运动功能。

军用和民用无人系统也是重要的应用方向。基于鳗鱼运动原理的机器人具有优异的隐蔽性和适应性,能够在各种地形条件下执行侦察、监测或运输任务。其去中心化的控制特性还使这类系统具有更强的抗干扰能力。

工业应用方面,这种仿生机器人可能在狭窄空间的检查和维修作业中发挥重要作用。例如,在核电站管道检查、石油管线维护或建筑物内部检测等场景中,传统的刚性机器人往往难以胜任,而柔性的仿鳗鱼机器人则可能提供理想的解决方案。

随着人工智能和材料科学的不断发展,未来的仿生机器人有望实现更高级的自主性和适应性。结合机器学习算法,这类系统可能具备从经验中学习和优化行为的能力,进一步提升其在复杂环境中的表现。

来源：人工智能学家