Жуки-кіборги
Можливо, що мініатюрні літаючі роботи, що представляють собою поєднання машини і комахи, допоможуть людям вижити в умовах катастроф.
Звичайна кімнатна муха - диво з точки зору авіабудування. Одна з причин її феноменальною здатності спритно ухилятися від мухобоек - виняткова частота помахів крил: близько 200 в секунду. Така незвичайна здатність забезпечується складним біомеханічних пристроєм.
Крила мухи не пов`язані безпосередньо з м`язами грудного відділу. Комаха періодично напружує і розслабляє м`язи, що змушують грудний відділ міняти свою форму. Ці деформації в свою чергу ведуть до того, що крила починають тремтіти так само, як хитаються лісові бранши (гілки) камертона після удару. Таким способом мусі вдається з дуже малими зусиллями перетворити незначну кількість енергії в безліч рухів.
Інженери, підштовхувані мініатюризацією електронних схем комп`ютерної техніки або способів виробництва мікроізделій, роблять все, що в їх силах, намагаючись створити крихітні літальні апарати, які відтворюють рухові здібності комах. Апарат DelFly Micro, представлений в 2008 р дослідниками з Делфтського технологічного університету в Нідерландах, при масі всього в 3 г має розмах крил 100 мм і здатний нести крихітну відеокамеру. Літальний апарат, створений в Гарвардській лабораторії мікророботів, ще менше: його маса становить лише 0,06 г (що в чотири рази більше маси мухи), але управляти його польотом після запуску неможливо. Однак справжньою ахіллесовою п`ятою механічних комах стало енергоспоживання: нікому поки не вдалося знайти спосіб запасти в мініатюрних батареях досить енергії, щоб живити апарати більше кількох хвилин польоту.
В останні роки ми зробили упор на пошуки способу обійти технічні обмеження. Замість того щоб створювати з нуля механічного жука, ми вирішили використовувати в якості літальних апаратів існуючих в природі комах. Це дозволило відмовитися від важких батарей і техніки виробництва мікроізделій і зосередитися на створенні систем управління, які втручаються в міру необхідності в політ. Іншими словами, комаха літає саме, але схема, підключена до його нервовій системі, передає йому команди оператора: повернути праворуч або ліворуч, набрати висоту або знизитися. У підсумку виходить, що літає кіборг - частково комаха, почасти машина.
До цієї ідеї ми прийшли п`ять років тому, коли один з авторів (Мічел Махарбіс) брав участь в симпозіумі з літаючим кіборгам, який проводило Агентство по передовим оборонним проектам (DARPA). (Хіротака Сато, фахівець з мікротехнологій, визнає, що мало розбирається в ентомології.) Учасники симпозіуму обговорювали технології, які могли б дозволити біологам приймати і реєструвати електричні сигнали від окремих м`язів летить комахи. Менеджер DARPA за програмами Аміт Лал (Amit Lal), який організував семінар, вважав, що настав час зосередитися на цих досягненнях, щоб визначити, чи не можна передавати електричні сигнали і на м`язи через імплантовані мікросхеми, змушуючи комаха рухатися так, як це потрібно нам.
Комаха-кіборг потенційно могло б виконувати різні військові завдання, наприклад повідомляти, скільки людина і хто саме знаходиться в будівлі або підземелля, щоб солдати, яким належить штурмувати приміщення, знали, що їх чекає. Кремнієво-вуглецеві гібриди могли б також стати основою для створення роботів-инсектоидов, призначених для виконання мирних завдань, таких як пошук тих, хто вижив під завалами, викликаними землетрусом.
Відео: У США проведено випробування жуків-кіборгів
ПЕРШІ ЕКСПЕРИМЕНТИ
Попередня робота з техаським Бронзовка показала, що управляти роботою крил можна. У цій першій моделі команди були заздалегідь закладені в мікроконтролер, але для радіоуправління до складу корисного навантаження жука необхідно було включити радіоприймач, а він був занадто важкий для комахи довжиною в 2 см.
Автори ретельно задали послідовності електричних імпульсів для стимуляції порівняно великих зон нервово-м`язової системи жука, щоб управляти його полетом.Еслі б схема стимуляції грунтувалася на порушенні окремих нейронів, домогтися
відтворюваності результатів для різних особин було б неможливо. Точка приєднання імпланта могла б змінюватися в ході польоту, що робило б жука некерованим.
радіоуправлінні ПОЛЬОТОМ
Інженери розробили систему передачі радіокоманд жукам в польоті, багато в чому подібну до тих, які застосовують моделісти для управління моделями автомобілів, літаків і вертольотів.
МЕХАНІКА ПОЛЕТА ЖУКА
Жуки рухають своїми крилами подібно до того, як вібрують ніжки камертона. Замість того щоб безпосередньо рухати крила вгору і вниз, дві системи м`язів (показані на малюнку помаранчевими в фазі скорочення і блакитними в фазі розслаблення), працюючи по черзі, деформують грудну частину панцира жука. В результаті крила дуже швидко рухаються вгору-вниз
ТРАЄКТОРІЯ ПОЛЕТА кіборгів
Дослідники в лабораторії Махарбіса поміщали жуків-кіборгів в спеціальну випробувальну камеру (знімок внизу, варто Сато). Політ почався (біла лінія в правому нижньому кутку малюнка справа) зі стимуляції оптичних часткою жука, що запустило «польотний поведінку». Електричні імпульси, які подавалися на праву базалярную м`яз, змушували жука повертати наліво, а стимуляція лівої базалярной м`язи викликала поворот направо. Закінчився політ (верхній лівий кут), коли на оптичні частки був поданий імпульс більшої тривалості, ніж перший.
Відео: Новини науки від 31.03.2016 (жук-кіборг)
Чому саме жуки
Безліч серйозних досліджень, що описують політ сарани, метеликів і мух, були виконані ще до симпозіуму DARPA. Я думав, що, базуючись на цих монографіях, зможу зменшити число фальстартів, які завжди супроводжують початок робіт в новій області досліджень. Метелики і сарана мають досить великі розміри, але не можуть нести велике навантаження, тому від них довелося відмовитися. Залишилися мухі.У цих комах багато достоїнств. По-перше, біологам про них багато відомо. Майкл Дікінсон (Michael H. Dickinson) і його колеги з Каліфорнійського технологічного інституту дуже докладно дослідили, які м`язи, коли і де повинні скоротитися, щоб легкокрилого істота набрало висоту або повернуло. По-друге, мухи виключно ефективно використовують енергію, що дозволяє їм рухати крилами з фантастичною скоростью.Однако в технічному відношенні працювати з мухами дуже важко: вони настільки малі, що для імплантації в них необхідних проводів і мікросхем потрібно бути нанохірургію. Я почав шукати альтернативу. Бабки великі і прекрасні літуни, але занадто хрупкі.Может бути, підійдуть таргани? І тут мені попалася на очі робота The Biology of the Coleoptera -класичний путівник по світу жуків, написаний Роєм Кроусоном (Roy A. Crowson) в 1981 р
Я дізнався, що жуки літають майже так само, як мухи. Відповідальні за політ м`язи грудного відділу жука деформують його панцир таким чином, що крила коливаються подібно гілкам камертона. Типи м`язів і їх розташування теж представлялися близькими до таких у мух. Думка про те, з чого почати, підказали кілька витончених досліджень жуків, виконані після 1950-х рр. Але найважливіше, мабуть, розміри цих комах: є жуки і більше 10 см, і всього 1 мм довжиною. Крім того, вони становлять близько однієї п`ятої всього числа відомих видів комах. Таким чином, теоретично вони здавалися легкодоступнимі.Но я зіткнувся з новою проблемою: в США майже ніхто не займався розведенням жуків, досить великих для моїх цілей. На те, щоб домогтися стабільного постачання «піддослідних», яких ми сьогодні закуповуємо у заводчиків в Європі і Азії, нашої лабораторії було потрібно декілька років.
І в цей час до наших досліджень підключився Хіротака Сато, другий з авторів цієї статті - хімік з досвідом роботи у виробництві мікроізделій. Нашою метою було показати, що ми можемо дистанційно відправляти комаха в політ, і керувати напрямком і швидкістю цього польоту, а також зупиняти його, коли воно дістанеться до заданого места.Как інженери ми хотіли, щоб всі функції виконувалися з мінімальною шкодою для комахи.
Перш за все нам потрібно було визначити мінімальний набір поведінкових функцій, контроль над якими необхідний для створення найпримітивнішого літаючого кіборга. Для управління жуком у вільному польоті ми вибрали дистанційне радіоуправління, подібне до того, яке використовується для моделей автомобілів, літаків і вертолетов.Требовалось забезпечити можливість за бажанням запускати і зупиняти роботу крил, збільшувати і зменшувати швидкість і висоту польоту комахи і змушувати його повертати направо і наліво . Ми ні в якому разі не хотіли контролювати всі характеристики польоту, оскільки жуки і так прекрасно управляють своїм становищем щодо горизонту і коректують траєкторію польоту в залежності від вітру і на відкритій місцевості.
У той же час потрібно було отримати можливість передавати сигнали безпосередньо в нервово-м`язову систему комахи, щоб припинити спроби жука зробити щось крім заданого. Будь-кіборг, здатний вийти з-під контролю, буде непридатним роботом.Ми діяли не вслепую.Большінство жуків, обраних нами для роботи, здатні нести навантаження, складову до 20-30% їх власної маси. Таким чином, максимальні габарити апаратури «системи управління» визначалися розмірами самої комахи. Оскільки нам було відомо, які м`язи керують роботою крил, у нас з`явилися підстави вважати, що подача електричних сигналів змінною частоти на м`язи кожної зі сторін тіла комахи дасть нам можливість змінювати траєкторію його польоту, змінюючи режими роботи крил.
Ми знали також, що жуки в польоті широко використовують зорову інформацію. Як і у людини, світло, що потрапляє в око комахи, збуджує світлочутливі нейрони. Від них сигнали пе-Реда через зорові частки мозку в середній мозок і в ганглії, де обробляються, забезпечуючи комаха зорової інформацією в процесі його руху. Також ми мали дані і про те, що в багатьох випадках важлива і інтенсивність світла. Так, варто було різко вимкнути світло в приміщенні, як жуки негайно припиняли політ. Це змусило припустити, що їм необхідний якийсь сенсорний сигнал від очей, щоб продовжувати працювати крилами. Ми розсудили, що стимуляція зорових часток мозку або зон поблизу їх підстави може викликати необхідні рухові реакції. Оскільки вживлення електродів безпосередньо в очі або зорові частки мозку знизить здатність комахи маневрувати, ми прийняли рішення про стимуляцію зон біля основи зорових часток. Стимулювати окремі нейрони нам не потребовалось.Когда ми посилали потрібний електричний імпульс в область поблизу основи зорових часток мозку жука, решту роботи виконували його власні системи, і комаха відправлялося в політ.
нанесення шкоди
Першому успішному польоту передувало чимало невдач. Спочатку ми півроку працювали з жуками-чернотелки (Zophobas morio) довжиною близько 1,5 см і масою в 1 м
Їх легко придбати в зоомагазинах, оскільки личинки цих комах використовуються як корм для геконів і інших дрібних плазунів. На жаль, ми так і не зуміли змусити чернотелок літати. Ми сотні разів підкидали їх у повітря, але вони просто не бажали розкривати крила. Схоже, літати вони не люблять. Однак, працюючи з цими жуками, ми багато дізналися про анатомію комах.
У підсумку ми переключилися на техаських бронзовок (Cotinis texana) довжиною 2 см і масою 1-1,5 г, широко поширених на південному сході США. Техаська бронзовка -не тільки добре відомий літун, а й шкідник фруктових садов.І за рік-другий ми отримали тисячі цих жуків від фермерів, які не могли повірити, що хтось готовий не просто рятувати їх від шкідників, але ще і доплачувати.
В результаті перших дослідів з Zophobas і Cotinis ми зрозуміли, як саме утримувати жуків, не завдаючи їм шкоди, і де приклеювати мікродроту: на спині, поблизу м`язів крил і біля основи голови (клеїли ми воском). Ми сконструювали і виготовили спеціальні мініатюрні схемні
плати для прийому радіокоманд і подачі електричних сигналів, з якими ми експериментували. (Жуки, оснащені як одним з перших варіантів нашої конструкції, так і самим останнім, створеним в квітні 2010 р, представлені на ілюстраціях до статті.) Сьогодні базова система складається з мікропроцесора з вмонтованим радіоприймачем (для прийому команд), батареї живлення і декількох срібних проводів діаметром 125 мкм, імплантованих в мозок і польотні м`язи жука.
Оскільки техаські бронзовки здатні нести корисне навантаження всього в 200-450 мг, початкова система не мала радіоприймача. Для перевірки керованості ми заздалегідь закладали польотні команди в мікропроцесор і спостерігали жука у вільному польоті, прив`язаного до нитки або закріпленого всередині карданова підвісу. (Закріплення жука в такому підвісі дозволяє спостерігати його в «польоті на місці».)
Перший успіх з жуками Cotinis був досягнутий через два місяці. Після декількох експериментів ми знайшли досить велику ділянку нейронів, електрична стимуляція якого дозволяла здійснювати відтворювані і передбачувані модуляції польоту. Ми встановили, що стимуляція зони мозку жука, що лежить якраз посередині між його лівої і правої зоровими частками, швидкими електричними імпульсами (тривалістю близько 10 мс, або частотою близько 100 Гц) змушує комаха бити крилами і приймати правильну польотну позу майже у всіх випадках ( в 97% випадків, щоб бути точними). Не менш цікаво, що один більш тривалий імпульс, поданий в ту ж зону, повністю зупиняв рух крил. Іншими словами, ми змогли запускати і зупиняти політ жука, подаючи спочатку один імпульс, що змушує крила працювати, а потім інший, який припиняв роботу крил.
Нам видається, що більш тривалий імпульс викликає перевантаження нейронів біля основи зорової частки мозку, блокуючи передачу електричних сігналов.В результаті руйнується пусковий сигнал, який підтримує вібрацію крил. Ми встановили, що електричні імпульси спрацьовували знову і знову, незалежно від того, чого хотілося б жука в даний момент. Якщо тоді, коли ми починали подавати 10-мс імпульси, комаха повзла по столу, воно починало бити крилами і злітало. Якщо ми перевертали жука на столі на спину, він починав бити крилами в цьому положенні. Якщо ж він летів, а ми подавали додатковий імпульс, то його крила переставали працювати, він падав і продовжував ползті.Нікакіх ознак того, що наші піддослідні отримували ушкодження, навіть в разі падіння на підлогу, ми не наблюдалі.Жукі з імплантованими проводами жили стільки ж, скільки і їх вільні побратими (кілька місяців). Вони точно так само літали, їли і злучалися. Далі ми виявили, що, подаючи по черзі в швидкій послідовності сигнали «пуску» і «зупинки», можна модулювати коливання крил. Це означає, що, коли жук летить, швидка послідовна подача цих двох команд не припиняє роботу його крил, але дещо гальмує її. В результаті змінюється створювана крилами тяга, що дозволяє нам управляти потужністю, що розвивається комахою для польоту, як пілот використовує ручку газу для управління тягою двигуна літака.
Щоб змушувати жука повертати, ми імплантували мікродроту в його праву і ліву базалярние м`язи. Подаючи 10-мс імпульси в праву м`яз, ми змушували її розвивати велику потужність, в результаті чого комаха повертало налево.В врешті-решт ми почали працювати з жуками Mecynorrhina torquata, маса яких досягає 8 г, що робить їх ідеальними носіями радіоприймача і корисного навантаження, яку ми розробили на той час.
подальші кроки
Не менш очевидна, ніж деякі наші досягнення, необхідність йти далі. Хоча ми довели, що можемо змусити жуків повертати наліво і направо і літати по колу, ми хочемо домогтися можливості направляти їх політ по складним тривимірним траєкторіях, щоб вони могли долати перешкоди, наприклад влітати в приміщення через димоходи або труби. З цією метою ми включили в корисне навантаження мініатюрні мікрофони, які реєструють коливання їх крил у польоті. Коли звук досягає певного рівня, грубо характеризує інтенсивність коливань крила, ми можемо подати точно вибрані стимулюючі імпульси на м`язи, що керують поворотами жука в польоті.
Апаратура працює чудово, але нам би в нагоді допомогу в створенні програм для керування польотами наших піддослідних комах. Ми звернулися до деяких своїх колег, які мають більший досвід у справі створення програм для повністю штучних літальних апаратів. На основі наявного досвіду роботи з безпілотними вертольотами Пітер Аббіл (Pieter Abbeel) з Каліфорнійського університету в Берклі зі своїми студентами Светослава Колєву (Svetoslav Kolev) і німбус Гехаузеном (Nimbus Goehausen) розробляють систему управління, яка буде розбивати складні команди (наприклад, команду «повернути на 200 направо ») на складові (наприклад,« подавати 10-мс імпульси на ліву базалярную м`яз протягом стількох-то секунд »). Тоді користувачеві досить буде вводити деякі корекції курсу, а ставити стимули, необхідні для того, щоб направити жука на необхідний курс, буде мікропроцесор. Щоб з`ясувати, якими мають бути ці послідовності імпульсів, ми використовували магнітно-резонансну томографію, великі дослідження анатомії жуків і високошвидкісну зйомку їх в польоті з метою визначення просторової конфігурації і функцій деяких інших м`язів, що відповідають за роботу кожного крила. На основі отриманих даних ми сьогодні націлюємося на різні м`язи, щоб отримати можливість більш стабільно управляти курсом і креном жука у вільному польоті.
Чи потрібно створювати жуків-кіборгів?
Чи виявляться комахи з дистанційним управлінням корисними як роботів, - питання відкрите, хоча ми вважаємо, що так. На ринок і надалі будуть надходити все менші за розмірами і все більш легкі мікроконтролери і радіоприймачі, що дозволить нам розробляти більш надійні і точні пристрої управління нашими жуками-кіборгами. Оскільки розробка мініатюрних джерел живлення великої ємності або механічних крил з високим ККД і раніше представляють великі труднощі, наші жуки з їх надефективними м`язами матимуть значну перевагу перед повністю штучними літальними апаратами.
Відео: Жуки-Киборги замінять Безпілотники; ІІ Навчать Грати В Покер (31.03.2016) Новини
З усіх потенційних наслідків, які може викликати наша робота, найважливішим ми вважаємо наступне: у міру мініатюризації обчислювальних пристроїв і поглиблення наших знань про біологічні системах людство буде все наполегливіше намагатися вбудовувати штучні інтерфейси в контури управління живих істот. Розробка деталей спочатку на комах допоможе уникнути помилок при роботі з більш високоорганізованим істотами на кшталт щурів і мишей, а згодом і з людьми. Можливо, це дозволить відкласти на майбутнє багато етичні питання (зокрема - про свободу волі), які встануть гостріше, коли почнеться робота з хребетними. Робота з жуками-кіборгами не завадить вченим займатися створенням повністю штучних роботів (адже людина іноді робить більш ефективні машини, ніж природа). Але наука м`якої інтеграції живих істот з рукотворними пристроями тільки зароджується.
