Draper DragonflEye — проект стрекоз-киборгов

Инженеры американской компании Draper занимаются проектом стрекоз-киборгов DragonflEye. Для этого ученые создали миниатюрный «рюкзак» с навигационными системами, солнечными панелями и оптическими проводниками, который будет устанавливаться на насекомое для управления его полетом. Подробнее об этом проекте читайте далее…

Исследователи американской компании Draper работают над проектом стрекоз-киборгов DragonflEye, который заключается в оснащении насекомых миниатюрными технологиями зондирования и навигации, превращая их в дронов-разведчиков, - сообщает Robotics.ua.

Достоинства технологии кибернетических насекомых

Несмотря на то, что ученые всячески пытаются создавать высокотехнологичных роботов-насекомых, им все еще очень далеко до уровня живых организмов. Поэтому многие инженеры используют кибернетический подход. За последние несколько лет исследователи сумели управлять крупными насекомыми с использованием электрических имплантатов, примером которых может послужить летающий робот-жук из Сингапура.

Но инженеры компании Draper из Кембриджа, штат Массачусетс, надеются превзойти эти достижения, создав кибернетическую стрекозу, которая будет нести миниатюрные средства навигации и нейротехнологии. Для того, чтобы управлять этим насекомым-киборгом, инженеры разрабатывают способ генетической модификации нервной системы насекомых, чтобы они могли реагировать на импульсы света. Этот подход, известный как оптогенетическая стимуляция, может позволить стрекозам нести полезную нагрузку или вести наблюдение, а пчелам – лучше опылять растения.

Проект DragonflEye является результатом сотрудничества между Draper и Медицинским институтом Говарда Хьюза (HHMI). Группа смогла упаковать всю необходимую электронику в крошечный «рюкзак». Использование солнечных батарей сводит к минимуму потребность в АКБ. Здесь же интегрированы навигационные системы, поэтому полностью автономный полет возможен за пределами контролируемой среды.

Еще одним важным шагом вперед является то, что, вместо того чтобы использовать электроды для силы мышц насекомых, инженеры Draper приняли более тонкий подход. Они использовали оптоволоконные сенсоры, так называемые оптроды, для активации специального типа движущегося нейрона со световыми импульсами. Эти нейроны выступают в качестве моста между датчиками стрекозы и ее мышцами, и это означает, что доступ к ним обеспечивает гораздо более надежную форму контроля над тем, как движется насекомое.

Главный исследователь проекта DragonflEye Джесси Дж Уилер рассказал обо всех нюансах их работы

Чем ваша работа отличается от других проектов кибернетических насекомых, представленных в прошлом?

Предыдущие попытки направлять полет насекомых были проведены на более крупных организмах, как жуки и саранча, чтобы они могли поднять относительно большие системы электроники, которые весили до 1,3 грамма. Эти системы не включают в себя навигационные системы и необходимые беспроводные команды для руководства полета. Есть два подхода к этому осуществлению: сенсоры, вызываемые поведение при полете, так и непосредственно стимулирование нейронов и мышц, которые управляют крыльями. Проблема с изменяемыми сенсорами в том, что организмы могут адаптироваться и научатся игнорировать сенсорную информацию, которая не согласуется с другими органами чувств. Проблема с прямым контролем крыльев заключается в том, что они изменяют элегантный нервно-мышечный контроль насекомого, необходимый для устойчивого стабильного полета. Эти системы также используют электрическую стимуляцию, которая является неточной и без разбора активирует любые нейроны или мышцы рядом с электродами.

Наш подход отличается тем, что мы используем стрекоз, которые имеют меньшие размеры и более ловкие крылья. Рюкзак DragonflEye предназначен для навигации в автономном режиме без беспроводного управления, сбора энергии из окружающей среды для продолжительной работы, и представляет собой часть дополнительного веса для мелких насекомых. Исследования, проведенные нашим сотрудником, Энтони Леонардо, показали, как работают «двигательные» нейроны в направлении полета. Эти нейроны представляют собой тип интернейронов, которые являются ни сенсорными, ни двигательными. Эти интернейроны обеспечивают рулевые команды нервно-мышечных схем, которые координируют контроль мышц крыльев и поддерживают стабильный полет. Эти нейроны будут точно активироваться без непреднамеренной активации близлежащих нейронов и мышц через оптогенетическую стимуляцию. Такой подход позволит нам активировать отдельные нейроны со светом, что невозможно провести с электричеством.

Как заставить эти oптроды работать, и каковы преимущества использования их для взаимодействия с нейронами?

Как и электроды, создающие электрический интерфейс с нейронами, оптоволоконные сенсоры создают оптический интерфейс, позволяя свету поступать к нейронам для стимуляции или для мониторинга активности. С добавлением генетического материала, который кодирует специальные светочувствительные белки, называемые опсины, нейроны могут быть модифицированы, чтобы быть активируемыми или подавляемы различными цветами света.

Эти новые инструменты оптогенетики позволяют оптическим электродам стимулировать нейроны с гораздо большей специфичностью, чем это может быть достигнуто с помощью электродов. Причиной этого является лучшая производительность, в которой электрические поля взаимодействуют со всеми нейронами в непосредственной близости от электрода, но свет будет взаимодействовать только с нейронами, которые были генетически модифицированы. Кроме того, в то время как электрические поля хороши при активации нейронов, гораздо труднее подавлять их. В отличие от этого, различные типы опсинов могут быть использованы как для активации, так и подавления нейронов просто путем изменения цвета света, прошедшего через oптороды.

Можете ли вы описать компоненты и возможности системы рюкзака более подробно, и почему вы решили установить его конкретно на стрекозу?

Рюкзак предназначен для навигации в автономном режиме, питания от солнечной энергии для продолжительной работы, обеспечения световых импульсов через oптроды в системе рулевого управления нейронами, и беспроводной передачи данных на внешнюю базовую станцию. Это наша система первого поколения, которая позволит нам разработать управление насекомыми с использованием оптогенетической стимуляции. В следующих экспериментах мы будем уменьшать размер и вес системы DragonflEye путем разработки пользовательской интегрированной системы. Дальнейшая миниатюризация позволит снизить нагрузку и позволит системе обслуживать еще более мелких насекомых.

Стрекозы интересны тем, что они очень распространены во всем мире и являются очень прочными и ловкими, несмотря на небольшие размеры. Будущая работа может расширить управление другими насекомыми, в том числе пчелами.

Почему кибернетические насекомые являются хорошей идеей в противовес попыткам разработать летающего робота-насекомое?

Обычные стрекозы весят около 600 миллиграмм, могут достигать высокой скорости и мигрировать на большие расстояния. Механические приборы сопоставимого размера гораздо менее эффективны при производстве подъемной силы, стабилизации полета и хранении энергии. Это создает фундаментальную проблему: механические летуны могут нести только очень маленькие источники энергии, а это значит, что они не имеют достаточно сил, чтобы летать длительные периоды времени. Система DragonflEye не требует источника питания для полета, только для навигации. Она может работать неопределенное количество времени из-за способности насекомого восполнять энергию из пищи и возможности навигационной системы получать энергию из окружающей среды.

Каким образом вы намереваетесь расширить свой проект?

Слежение за насекомыми и мелкими животными позволит исследователям лучше понять поведение в дикой природе, отслеживать влияние изменений окружающей среды, а также поможет направлять политику для защиты важных экосистем. Помимо слежения система DragonflEye предлагает новую миниатюрную технологию оснащения насекомых широким спектром датчиков состояния окружающей среды, и проводить важные модели поведения, как опыление.

Каково текущее состояние проекта?

Для того чтобы начать управлять стрекозами, необходимо разработать несколько ключевых технологий. HHMI сосредоточены на разработке методов доставки генов, специфичных для стрекозы, чтобы сделать нейроны чувствительными к свету. Draper разработали миниатюрный рюкзак для автономной навигации и гибкий оптрод для контролирования измененных нейронов, направляя свет вокруг крошечного нерва стрекозы.

Наша система первого поколения основана на ранних версиях рюкзаков, которые были установлены на стрекозах, чтобы проверить эргономику и ограничения по весу. С помощью этих новых технологий мы будем оборудовать стрекоз рюкзаками и начать проводить отслеживание местоположения, управление полетом, а также оптимизированную оптическую стимуляцию.

Над чем вы будете работать дальше?

В первый год реализации проекта мы сосредоточились на разработке ключевых перспективных технологий, таких как рюкзак, оптоволоконный сенсор и набор инструментов синтетической биологии для стрекозы. На второй год мы запланировали оборудовать стрекоз рюкзаками первого поколения для работы в помещениях, чтобы точно контролировать их движения, поскольку данные захватываются из навигационной системы. Это позволит нам разработать четкие алгоритмы бортового слежения наряду с автономной навигацией.

Далее, мы будем применять оптическую стимуляцию, чтобы получить поведение полета, которое позволит нам развивать автономное управление. Параллельно мы работаем над рюкзаком второго поколения, который будет увеличивать функциональность при значительном снижении веса и размера.

Источник: robotics.ua

Комментарии: