探索用于昆虫通信的半机械人蝉生物声学调制

日本筑波大学的研究人员发明了一种通过使用电肌肉刺激（EMS）来操纵蝉鸣叫音阶的方法。使用通过精确电压控制的活蝉生产了一种混合生物电子扬声器，能够产生可变的声音频率。

昆虫-计算机混合系统因其移动性、耐用性和能效而受到研究关注。昆虫生物机器人（半机械人昆虫）已被考虑用于从灾害应对到农业和监测的应用。

嵌入式传感器被提出用于在封闭或不稳定的环境中导航，例如甲虫机器人在倒塌建筑物的狭窄空间中寻找幸存者，蜜蜂机器人设计用于监测空气质量和授粉模式，以及高科技白蚁测试土壤中的化学污染物。以监视为重点的部署设想昆虫携带音频或视觉传感器进入限制区域，想象一个真正的“墙上飞”场景。

昆虫生物机器人的通信功能仍然是一个探索较少的功能，这引发了昆虫本身是否可以作为信号发射器的问题。

在2025年4月23日作为arXiv预印本发表的题为“昆虫-计算机混合扬声器：使用电肌肉刺激控制的蝉鸣叫的扬声器”的研究中，研究人员设计了一个实验界面，以研究是否可以使用EMS操纵昆虫鸣叫的音调。

在日本筑波捕获了七只黑腹蝉。选择雄性蝉是因为它们的体型相对较大，鼓膜区域附近没有大的肌肉或内脏。

通过背部将电极插入每只蝉的腹部，以刺激鼓膜肌肉，鼓膜肌肉负责通过振动腹腔内的鼓膜板产生唧唧声。每个电极都连接到一个电路，该电路传递从A0到C4（27.500 Hz到261.626 Hz）的方波电信号。位于蝉前方一厘米处的麦克风（索尼ECM-CG601）记录了刺激过程中产生的声音。

机翼固定到位，以保持一致的记录距离。电压从每频率0V逐渐增加到1V，直到啁啾开始或停止。对于每种输入频率，在所有七只蝉身上重复这一过程。

播放音乐短语，包括帕切贝尔的《佳能》，是为了评估蝉鸣叫在遵循结构化音阶方面的表现。性能范围因试样而异。例如，只有一只蝉在音调A2时发出声音，而两只蝉在音调C#3时发出声音。

通过电刺激产生的鸣叫声分为四种波形类型：正确频率波（CFW）、半频率波（HFW）、双频波（DFW）和不规则频率波（IFW）。CFW在测试的间距间隔内最为稳定，对应于A0至F#3的电压范围。随着电压的增加，观察到连续的波形模式：首先是HFW，然后是CFW，最后是DFW。在低音段，高频波没有产生，而在高音段则没有。通过标本获得的最大平均频率对应于音调C#3。

当受到受控的电肌肉刺激时，蝉展示了它们作为低能量生物声音设备的潜力。这种能力表明昆虫-计算机混合系统在紧急通信场景中的作用，特别是在传统音频设备或机器人可能受到能源需求或无法进入地形限制的环境中。能源效率和敏捷性被认为是现实世界部署的潜在优势。p