Cyborgi gândacilor

zbura aripi nu sunt legate în mod direct la mușchii toracice. Insecte periodic tensionată și relaxa mușchii care cauzează schimbarea formei toracice. Această deformare la rândul său, duce la faptul că aripile încep să tremure ca fălcile fluctueze (ramuri) ale furcii după impact. În acest fel se zboara gestiona cu foarte puțin efort pentru a transforma o cantitate neglijabilă de energie într-o multitudine de mișcări.

Inginerii împins miniaturizarea circuitelor electronice ale tehnologiei calculatoarelor și a metodelor de producție microproducts, fac totul în puterea lor, încercând să creeze un avion mic, care reproduce mișcarea abilităților insecte. Aparatură DelFly Micro, introdus în 2008, cercetătorii de la Universitatea Tehnică din Delft din Olanda, cu numai 3 g greutate are o durată de 100 mm și aripi, capabile să transporte o cameră mică. Vehiculul construit în Harvard micro roboți Laboratories, chiar mai puțin din greutatea sa este de numai 0,06 g (care este de patru ori masa muscă), dar controlează zborul după lansare imposibilă. Cu toate acestea, călcâiul de insecte mecanice adevărat Ahile să devină putere: nimeni nu a reușit încă să găsească o modalitate de a stoca în baterii miniaturale au suficientă energie pentru a alimenta vehicule mai mult de câteva minute de zbor.

In ultimii ani ne-am concentrat pe căutarea de modalități de a lucra în jurul valorii de orice limitări tehnice. Mai degrabă decât crearea de la zero un gândac mecanic, am decis să utilizeze ca aeronave existente in natura de insecte. Acest lucru ar elimina bateriile grele și a tehnicilor de producție microproducts și să se concentreze pe construirea de sisteme de management, intervenind astfel cum este necesar în timpul zborului. Cu alte cuvinte, muștele de insecte de la sine, dar circuitul conectat la sistemul său nervos transmite comenzile operatorului: rândul său, la dreapta sau la stânga, urca sau du-te în jos. Rezultatul este un cyborg de zbor - parte de insecte, parte mașină.

Pentru această idee am ajuns în urmă cu cinci ani, atunci când unul dintre autori (Mitchel Maharbis) au participat la un simpozion pe care zboară cyborg care petrec Agenția pentru apărare Proiecte Avansate (DARPA). (Hirotaka Sato, în microtehnologie specialist admite că puțin priceput în entomologie.) Simpozionul a discutat tehnologia care ar putea permite biologi să primească și să înregistreze semnale electrice de la mușchii individuale ale unei insecte zburătoare. DARPA program manager Amit Lal (Amit Lal), care a organizat seminarul, a crezut că este timpul să se concentreze asupra acestor realizări, în scopul de a determina dacă să transmită semnale electrice și nu poate fi pe musculare prin cip implantat, provocând insecta să se miște așa cum este necesar pentru noi.

Insecte-cyborg ar putea efectua o varietate de sarcini militare, cum ar fi raportul cât de mulți oameni și care este exact în clădire sau în subteran, pentru soldați, care vor cu asalt sala, știu ce să se aștepte. hibrizi de siliciu-carbon ar putea fi, de asemenea, baza pentru roboți de creare a insectoidă proiectate pentru a efectua sarcini civile, cum ar fi căutarea de supraviețuitori sub dărâmături cauzate de cutremur.

Video: gândaci de test-cyborg au avut loc în Statele Unite

De lucru preliminar cu texan mantale, a arătat că guvernează activitatea aripilor pot fi. În acest prim model, echipa au fost pre-construit în microcontroler, dar pentru radio în sarcina utilă a gândacului a fost necesară pentru a porni aparatul de radio, dar el a fost prea greu pentru insecte la 2 cm lungime.

Autorii secventa atent predeterminate de impulsuri electrice pentru a stimula regiunile relativ mari ale sistemului neuromuscular al gândacului pentru a rula el va poletom.Esli circuit de stimulare bazat pe excitarea neuronilor individuali, pentru a realiza
reproductibilitatea rezultatelor pentru diferite persoane ar fi fost imposibil. punctul de atașare al implantului ar putea fi modificată în timpul zborului, care ar face gândacul greu de gestionat.

RADIO AFC

Inginerii au dezvoltat sisteme de transport de radio de control de gândaci în zbor, în multe privințe similare cu cele care sunt folosite pentru a controla modelatori modele de autoturisme, avioane și elicoptere.

mecanica de zbor BEETLE

Gândacii sunt conduse de aripile lor, la fel ca și vibrante picioarele diapazon. În loc de a se deplasează în mod direct aripile în sus și în jos, cele două sisteme musculare (prezentate în figură, în reducerea portocaliu și albastru-fază în faza de relaxare), care lucrează alternativ deformate porțiune de coaste coajă gândacilor. Ca rezultat, aripile se misca foarte repede în sus și în jos

Cale de zbor Cyborg

Cercetatorii in laborator gândacii Maharbisa cyborg plasate într-o cameră de testare specială (imagine de jos este în valoare de Sato). Zborul a început (linia albă în colțul din dreapta jos al figurii din dreapta) pentru a stimula gândacului lobi optic care a lansat un „comportament de zbor.“ impuls electric aplicat mușchiul bazalyarnuyu dreapta forțat un viraj la stânga gândacilor, și stimularea mușchilor bazalyarnoy stângi provoacă un viraj la dreapta. zbor Încheiat (colțul din stânga sus), când proporția a fost depusă de impulsuri optice de durată mai lungă decât prima.

Video: Science News de la 31/03/2016 (gândacul Cyborg)

De ce gândaci

Au fost efectuate mai multe studii care descriu serioase de zbor lăcuste, fluturi si zboara inainte de DARPA Simpozion. Am crezut că, pe baza acestor monografii, se poate reduce numărul de porniri false, care însoțesc întotdeauna începerea lucrărilor în noul domeniu de cercetare. Fluturi și lăcuste au o dimensiune suficient de mare, dar nu poate transporta o sarcină mare, astfel încât acestea au fost abandonate. Muhi.U aceste insecte au fost o mulțime de merit. În primul rând, biologii știu multe despre ele. Michael Dickinson (Michael H. Dickinson) si colegii sai de la Institutul de Tehnologie din California a analizat în detaliu, ce mușchi, când și în cazul în care acestea ar trebui să fie redusă la creatura inaripata a urcat sau transformat. În al doilea rând, musca de utilizare extrem de eficientă a energiei, ceea ce le permite să se miște cu aripi fantastic skorostyu.Odnako punct de vedere tehnic lucra cu muștele este foarte dificil: ele sunt atât de mici încât implantarii în ele firele și microcipurile necesare pentru a fi nanosurgery. Am început să caute o alternativă. Libelulele sunt zburatori mari și frumoase, dar prea hrupki.Mozhet fi gândaci adecvate? Și apoi am dat peste lucrarea Biologia Coleoptera este un ghid clasic în lumea Coleoptera, scris de Roy Crowson (Roy A. Crowson) în 1981

Am învățat că gândacii acoperi aproape la fel de bine ca și muște. Responsabil pentru mușchii de zbor ale gândacului toracice se deformeze cochiliei, astfel încât aripile oscileze ca ramurile unui diapazon. Tipuri de mușchi și locația lor, de asemenea, pare apropiat de cel de muște. Ideea de unde să înceapă, au determinat mai multe studii fine de coleoptere, realizate după 1950. Cel mai important, poate, dimensiunea acestor insecte: gândacii și au mai mult de 10 cm, și doar 1 mm lungime. In plus, ele constituie aproximativ o cincime din numărul total de specii cunoscute de insecte. Astfel, teoretic, ei păreau legkodostupnymi.No am întâlnit o nouă problemă: în Statele Unite, aproape nimeni nu a fost implicat în gândacii de reproducere, suficient de mare pentru scopurile mele. De fapt, pentru a realiza o aprovizionare stabilă de „test“, care acum vom cumpăra de la crescători din Europa și Asia, laboratorul nostru a luat mai mulți ani.

Și în acest moment, în cercetarea noastră conectat Hirotaka Sato, al doilea autor al acestui articol - un chimist cu experiență în producția de microproducts. Scopul nostru a fost de a arăta că putem trimite la distanta insectele în zbor, și de a controla direcția și viteza de zbor, precum și să-l oprească atunci când se ajunge la inginerii set mesta.Kak am dorit toate funcțiile sunt efectuate cu daune minime pentru insecte.

În primul rând, a trebuit să identifice un set minim de funcții comportamentale, dintre care controlul este esențial pentru crearea cyborg de zbor cele mai primitive. Pentru a controla bug-ul în zbor liber, am ales un control radio de la distanță, similar cu ceea ce se utilizează pentru vehicule, modele de aeronave și vertoletov.Trebovalos permit de pornire opțional și să oprească aripile pentru a crește și descrește viteza și înălțimea de zbor de insecte și să-l rotiți spre dreapta și spre stânga . Suntem în orice caz, nu a vrut să controleze toate caracteristicile de zbor, precum și gândacii și controlează poziția lor în raport cu orizontul, și ajusta traiectoria de zbor, în funcție de vânt și de obstacole.

În același timp, a fost necesar să fie în măsură să transmită semnale direct la sistemul neuromuscular al insectei, gândacul pentru a opri încercările de a face altceva decât cele specificate. Orice cyborg care poate scăpa de sub control, va fi impropriu robotom.My nu au acționat gândacii vslepuyu.Bolshinstvo, am ales la locul de muncă, în măsură să efectueze o sarcină de până la 20-30% din propria lor greutate. Astfel, dimensiunile maxime ale echipamentului „sistemul de control“ este definit de dimensiunea insectelor. Din moment ce am știut care mușchii controlează funcționarea aripii, am avut motive să credem că furnizarea de semnale electrice schimba frecventa pe muschii fiecare parte a corpului de insecte ne va da posibilitatea de a schimba traiectoria zborului său, schimbarea modurilor de aripi.

De asemenea, știm că gândacii în zbor sunt utilizate pe scară largă de informații vizuale. Ca la om, lumina care intra in ochi de insecte, excita neuronii sensibili la lumină. Din aceste semnale ne-Reda prin lobi vizuale la mijlocul anilor creier și ganglionul, în cazul în care acestea sunt prelucrate prin furnizarea unei informații vizuale de insecte în cursul mișcării sale. Avem, de asemenea date și că, în multe cazuri, este important și intensitatea luminii. Astfel, costul rândul său dramatic luminile în cameră, ca și zborul de gândaci oprit imediat. Acest lucru a condus la presupunerea că au nevoie de un semnal tactil de ochi pentru a continua să lucreze aripi. Am motivat ca stimularea lobilor optice sau zonele din apropierea bazei lor poate provoca reacții motorii necesare. Deoarece implantarea de electrozi direct în ochi sau lobii optice reduce capacitatea insectei de a manevra, am decis să stimuleze zonele de la baza lobilor optice. Neuronii individuali stimulează nu ne potrebovalos.Kogda am trimis impulsul electric corespunzător în zona din apropierea bazei lobilor optice beetle restul lucrărilor efectuate propriul său sistem, și a trimis o insectă în zbor.

prejudicii

Primul zbor de succes a fost precedat de mai multe eșecuri. Am lucrat mai întâi cu gîndaci gandaci pe jumătate crepuscular (Zophobas morio) lungime de aproximativ 1,5 cm și o greutate de 1 g

Ca rezultat, am trecut la Texas bronzovok (Cotinis texana) o lungime de 2 cm și o greutate de 1-1,5 g, pe scară largă în sud-estul Statelor Unite. Texas Mantaua nu numai bine-cunoscut zburător, dar, de asemenea, un dăunător de sadov.I fructe pentru un an sau doi, am primit mii de acești gândaci de fermieri, care nu ar putea crede că cineva este dispus să nu doar să le livreze la dăunători, dar, de asemenea, să plătească suplimentar.

Deoarece Texas Șorțul capabil de a transporta o sarcină utilă de numai 200-450 mg, sistemul original nu a avut un radio. Pentru a verifica avansul de sub control, am pus echipa de zbor în microprocesor și vizionat un bug în zbor liber, legat de un șir de caractere sau fixat în interiorul articulației cardanice. (Fixarea unui bug în această suspensie vă permite să-l urmăriți într-un „zbor de la locul.“)

Primul succes cu gândacilor Cotinis a fost realizat în două luni. După unele experimente, am găsit destul de o mare de neuroni, stimulare electrica care permite modularea zbor reproductibilă și previzibil. Am constatat ca stimularea zonelor creierului gândacului situată chiar în mijloc între lobi stâng și drept optice, rapid impulsuri electrice (aproximativ 10 ms, și o frecvență de aproximativ 100 Hz, durata) face ca insecta să bată din aripi și să ia postura de zbor propriu-zis aproape toate cazurile ( în 97% din cazuri, pentru a fi exact). Este de asemenea interesant faptul că un puls mai lung, înregistrată în aceeași zonă, opri complet mișcarea aripilor. Cu alte cuvinte, putem porni sau opri gândacul de zbor hrănire un prim impuls, cauzând aripi pentru a lucra, și apoi celălalt, care își încetează activitatea a aripilor.

Se pare că pulsul mai face congestie la baza de neuroni vizuale lob, blocând transmiterea signalov.V electrice distruse printr-un semnal de declanșare, care susține vibrația aripilor. Am descoperit ca impulsuri electrice a funcționat bine din nou și din nou, indiferent de ce aș dori să bug în acest moment. Dacă atunci când am început să aplice impulsuri de 10 ms, o insectă crawling pe masă, începe să bată din aripi și de decolare. Dacă ne-am întors gândacul pe masa pe spate, el a început să bată aripile în această poziție. Dacă el a fost de zbor și am aplicat un impuls suplimentar, aripile lui a încetat să funcționeze, a căzut și a mers semne polzti.Nikakih că subiecții noștri de testare au primit daune, chiar și în cazul unei căderi de la podea, nu nablyudali.Zhuki cu fire implantate au trăit mult omologii mult și libere a acestora (câteva luni). Ei doar de zbor, mâncând și împerechere. Mai mult, am descoperit că, prin aplicarea alternativ într-o succesiune rapidă, semnalele de „start“ și „stop“ pot fi modulate de vibrații ale aripilor. Acest lucru înseamnă că, atunci când gândacul zboara rapid aplicarea alternativ cele două echipe nu termina aripile sale, dar oarecum îl împiedică. Ca urmare a modificărilor create de aripile de tracțiune, care ne permite să controleze puterea dezvoltată de insecte pentru a zbura ca un pilot cu ajutorul pedalei de accelerație pentru a controla forța motorului aeronavei.

Efectuarea gândacului de a transforma, noi microfire implantat în dreapta și mușchii bazalyarnye stânga. Hrănirea impulsuri de 10 ms în brațul drept, am făcut-o să dezvolte o putere mai mare, provocând insecta sa transformat nalevo.V În cele din urmă am început să lucrăm cu gândaci Mecynorrhina torquata, a cărui masă ajunge la 8 g, ceea ce le face ideale operatorii de transport de radio și sarcina utilă, ne-am dezvoltat de atunci.

paşii următori

Nu mai puțin evidente decât unele dintre realizările noastre, necesitatea de a merge mai departe. Deși am demonstrat că putem face gândacilor rândul său, la stânga și la dreapta și zbura în jurul, vrem să fie o oportunitate de a trimite căile lor de zbor pe complexul tridimensional, astfel încât acestea să poată depăși obstacolele, cum ar fi acoperi în clădiri prin coșuri de fum sau conducte. În acest scop, am inclus în sarcina utilă de microfoane miniaturale care detectează vibrațiile aripilor lor în zbor. Când sunetul atinge un anumit nivel, aproximativ indicativ al intensității oscilațiilor aripilor, putem oferi exact impulsurile de stimulare selectate pentru mușchii care controlează gandacul se transformă în zbor.

Echipamentul mare de lucrări, dar am putea folosi de ajutor în crearea de programe pentru gestionarea insectelor noastre de test de zbor. Am apelat la unii dintre colegii săi, care au o vastă experiență în crearea de programe pentru aeronave complet artificiale. Pe baza experienței existente cu elicoptere fără pilot Peter Abbil (Pieter Abbeel) de la Universitatea din California, Berkeley și studenții săi Svetoslav Kolev (Svetoslav Kolev) și Nimbus Gehauzenom (Nimbus Goehausen) dezvolta un sistem de management care se va rupe comenzi complexe (de exemplu, comanda pentru a „rândul său 200 dreapta „) în componente (de exemplu,“ impulsuri fișier 10 ms la mușchiul bazalyarnuyu stânga pentru atât de multe secunde „). Apoi, utilizatorul trebuie doar să introduceți unele de corecție desigur, și a stabilit stimulentele necesare pentru a trimite un bug în cursul dorit este un microprocesor. Pentru a afla ce ar trebui să fie secvența de puls, am folosit imagistica prin rezonanta magnetica, studii extinse ale anatomiei gândacilor și a lor de fotografiere de mare viteză în aer pentru a determina configurația spațială și funcțiile altor muschi, responsabil pentru funcționarea fiecărei aripi. Pe baza datelor pe care le avem astazi vizeaza muschii diferite pentru a putea controla mai stabil rata și rola gândacul în zbor liber.

Am nevoie pentru a crea un gândacilor cyborg?

dacă insectele vor fi roboți controlate de la distanță util ca, - o întrebare deschisă, deși noi credem că este. Pe piață și va continua să facă tot mai mici și mai ușoare microcontrolere și radio, care ne va permite să dezvolte o mai fiabile și precise de gandaci noastre controler cyborg. Deoarece dezvoltarea surselor miniaturizat de putere de mare capacitate sau aripi mecanice, cu eficiență ridicată continuă să reprezinte mari dificultăți, gândaci noastre cu mușchii lor extrem de eficiente vor avea un avantaj semnificativ față de o aeronavă complet artificială.

Video: Beetles Cyborgii va înlocui vehicule aeriene fără pilot; AI-ul va învăța cum să joace poker (31/03/2016) Știri

Dintre toate impacturile potențiale care pot provoca munca noastră, cel mai important, noi credem următoarele: ca miniaturizarea de dispozitive de calcul, precum și înțelegerea noastră a sistemelor biologice, omenirea va încerca să includă interfețe mai insistent artificiale pentru circuitele de control ale ființelor vii. Dezvoltarea de detaliu începând cu insecte de ajutor pentru a evita greșelile atunci când se lucrează cu mai multe creaturi foarte bine organizate, cum ar fi șobolani și șoareci, și mai târziu cu oameni. Poate că va fi amânată pentru viitorul multora dintre problemele etice (în special - de voință liberă), care se va ridica brusc atunci când lucrarea va începe cu vertebrate. Lucrul cu gândaci de cyborgi nu va împiedica oamenii de știință implicați în crearea de roboți în întregime artificiale (pentru că, uneori, oamenii fac masina mai eficient decât natura). Dar știința de integrare moale a ființelor vii cu dispozitive de om este în fază incipientă.