16歲少年造出仿生海龜機(jī)器人，AI識(shí)別微塑料準(zhǔn)確率達(dá)94%，拿下5萬(wàn)美元獎(jiǎng)學(xué)金

2024年夏天，在加拿大祖父母家的泳池邊，16歲的埃文·巴茲正對(duì)著一個(gè)棘手的問(wèn)題發(fā)愁：如何讓他自己設(shè)計(jì)的自主“海龜機(jī)器人”真正游起來(lái)。

“我還記得最初幾次測(cè)試。”巴茲在接受《Business Insider》采訪時(shí)回憶道，“我把機(jī)器人放進(jìn)水里，它直接沉到了池底，根本不會(huì)游泳，也無(wú)法控制自己的深度，就像一塊磚頭一樣?！?/p>

對(duì)于大多數(shù)青少年來(lái)說(shuō)，這顯然不是他們會(huì)遇到的問(wèn)題。但對(duì)巴茲而言，這卻成了他最投入的研究課題。這項(xiàng)研究的靈感，來(lái)自2024年早些時(shí)候一次與家人前往加拿大安大略省荒野露營(yíng)的經(jīng)歷。在那次旅程中，他對(duì)水生動(dòng)物產(chǎn)生了濃厚興趣。他說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我看到一只鱷龜在水中游動(dòng)，它的動(dòng)作流暢自然，非常優(yōu)雅。我受到很大啟發(fā)，希望設(shè)計(jì)出一臺(tái)能夠模仿它運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)器人?！?/p>

此后，經(jīng)過(guò)后院泳池里的反復(fù)測(cè)試，以及數(shù)月不斷調(diào)試、改進(jìn)和升級(jí)，這項(xiàng)研究終于在今年5月迎來(lái)了成果。巴茲憑借一套水下三維全息成像相機(jī)以及自己訓(xùn)練的AI模型——能夠識(shí)別水體中的微小塑料顆粒，并將這些設(shè)備安裝到自主海龜機(jī)器人上——在2026年Regeneron國(guó)際科學(xué)與工程大獎(jiǎng)賽上獲得了5萬(wàn)美元獎(jiǎng)學(xué)金。他說(shuō)，僅制造機(jī)器人和全息相機(jī)，兩項(xiàng)工作各自就投入了約2000個(gè)小時(shí)。

巴茲選擇環(huán)保作為研究方向，幾乎是順理成章的事?！拔乙恢睙釔?ài)戶(hù)外?！彼f(shuō)，“從六歲開(kāi)始，我就跟著父母到偏遠(yuǎn)地區(qū)露營(yíng)。我們會(huì)劃著獨(dú)木舟前往那些美麗而壯觀的湖泊。”后來(lái)，在觀看一部關(guān)于海洋和海洋生態(tài)系統(tǒng)的紀(jì)錄片后，他了解到水體中已經(jīng)充滿(mǎn)了微塑料污染。根據(jù)海洋保護(hù)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，每年約有1100萬(wàn)噸塑料垃圾流入海洋，影響超過(guò)1300種海洋生物。

2024年，巴茲花費(fèi)約5個(gè)月時(shí)間打造了這只海龜機(jī)器人。在他看來(lái)，海龜是執(zhí)行這類(lèi)任務(wù)最理想的仿生對(duì)象?！昂｝?shù)挠斡拘史浅８?，這對(duì)于設(shè)計(jì)仿生機(jī)器人來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。我希望機(jī)器人能夠長(zhǎng)距離執(zhí)行任務(wù)，而無(wú)需頻繁充電或擔(dān)心電池耗盡?！彼f(shuō)，“此外，海龜廣泛生活于各種水域生態(tài)系統(tǒng)，因此當(dāng)?shù)仄渌飳?duì)它們并不會(huì)感到陌生，更不容易引起干擾?！绷硪环矫?，海龜體型較大，也方便安裝各種科研設(shè)備，例如傳感器和全息成像系統(tǒng)。

為了讓機(jī)器人的游泳姿態(tài)更加自然，巴茲還向當(dāng)?shù)厮屦^的專(zhuān)家尋求了幫助。他說(shuō)：“隨后，我開(kāi)發(fā)了一系列算法，讓機(jī)器人能夠按照預(yù)設(shè)搜索路徑自主游動(dòng)，同時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)自身深度。它基本上可以按照用戶(hù)設(shè)定的目標(biāo)自主前進(jìn)，完全不需要人工導(dǎo)航或人為控制?！?/p>

2025年夏天，巴茲開(kāi)始研發(fā)三維全息成像系統(tǒng)，并訓(xùn)練AI模型。他說(shuō)，這一過(guò)程經(jīng)歷了大量反復(fù)試驗(yàn)，尤其是在讓AI準(zhǔn)確區(qū)分微塑料和水中其他微小生物方面，需要不斷調(diào)整和優(yōu)化。“其中包括不斷優(yōu)化硬件，提高成像分辨率，以識(shí)別尺寸只有約10微米的微小顆粒和微塑料?！闭麄€(gè)檢測(cè)流程首先需要利用全息成像系統(tǒng)采集三維全息圖像，然后再交由AI模型識(shí)別其中是否存在微塑料。

不過(guò)，真正用于測(cè)試的時(shí)間卻非常有限。巴茲表示，加拿大北部冬季寒冷，因此必須趕在湖面結(jié)冰之前完成所有外場(chǎng)測(cè)試?！拔疑钤诩幽么蟊辈?，這里的冬天非常冷，所以必須在天氣變冷之前，到當(dāng)?shù)貛鬃赐瓿勺罱K版仿生機(jī)器人的測(cè)試。”

到Regeneron國(guó)際科學(xué)與工程大獎(jiǎng)賽舉辦時(shí)，這套系統(tǒng)已經(jīng)能夠以94%的準(zhǔn)確率區(qū)分微塑料和其他微小顆粒。巴茲認(rèn)為，他的研究目標(biāo)是讓微塑料檢測(cè)變得更快、更普及。他指出，目前主流檢測(cè)方式主要依賴(lài)實(shí)驗(yàn)室分析，整個(gè)流程十分復(fù)雜。“由于必須送到實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，即便只是少量樣品，也可能需要幾天時(shí)間才能完成分析，而且成本很高?！彼f(shuō)，“對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)，這種方法幾乎不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槟抢锛葲](méi)有實(shí)驗(yàn)室，也缺乏專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員。”相比之下，他研發(fā)的系統(tǒng)能夠直接在水中完成微塑料檢測(cè)，無(wú)需將樣本送回實(shí)驗(yàn)室。正是這一創(chuàng)新思路，讓巴茲獲得了本屆大賽最高榮譽(yù)之一——戈登·E·摩爾未來(lái)世代積極成果獎(jiǎng)。

由再生元制藥公司和科學(xué)學(xué)會(huì)共同舉辦的Regeneron國(guó)際科學(xué)與工程大獎(jiǎng)賽，今年共向獲獎(jiǎng)學(xué)生發(fā)放了超過(guò)700萬(wàn)美元獎(jiǎng)金。這項(xiàng)賽事面向全球高中生開(kāi)放，今年共有超過(guò)1700名學(xué)生參賽。

談到獲獎(jiǎng)經(jīng)歷，巴茲說(shuō)：“當(dāng)時(shí)真的感覺(jué)像做夢(mèng)一樣。我站在領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上，聽(tīng)到主持人念出戈登·E·摩爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叩拿謺r(shí)，我心里一直在想：‘天哪，那真的是我嗎？我真的獲獎(jiǎng)了嗎？’當(dāng)時(shí)腦子里一下子閃過(guò)很多念頭，甚至有些不敢相信。但總體來(lái)說(shuō)，那是一段非常難忘的經(jīng)歷?！?/p>

目前，巴茲仍將重心放在高中學(xué)業(yè)上。他計(jì)劃利用這筆5萬(wàn)美元獎(jiǎng)學(xué)金進(jìn)入大學(xué)攻讀科學(xué)或工程專(zhuān)業(yè)，并希望將自己的研究成果分享給更多科研人員，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展。