Робототехника очень старается соответствовать маневренности, универсальности и эффективности животных. Некоторые роботы очень сближаются в нескольких отношениях, но мы все еще гонимся за мечтой о роботах, которые могут сравниться с нашими биологическими друзьями. Один из способов обойти эту проблему — использовать биологию при проектировании роботов (и мы действительно видим много био-вдохновения в различных приложениях ), но более прямой подход — просто сделать самих роботов в основном биологическими. Мы уже сообщали об этом в контексте летающих насекомых , но этот новый жук-киборг из Технологического университета Наньян в Сингапуре является самым маленьким (и наиболее управляемым) пока что.
Вот как сингапурские исследователи во главе с профессором Хиротакой Сато описывают свою работу в недавней статье:
Можно использовать живое насекомое в качестве платформы для разработки гибридного робота из насекомых и машин. Такой гибрид сохраняет сложную структуру жесткого экзоскелета насекомого, податливые суставы и мягкие приводы, а также способность насекомого к передвижению, и при этом обеспечивает высокую управляемость и низкое энергопотребление. Такой гибридный робот-насекомое-машина состоит из живой платформы-насекомого с прикрепленным к ней миниатюрным электронным устройством для управления им. Используя само насекомое в качестве робота, исследователи обходят сложные процессы проектирования и изготовления тела робота, используя мышечную систему насекомого в качестве мягких приводов и гибкие суставы и его нервную систему как часть системы управления.
Этот конкретный жук относится к типу чернотелок. Он маленький (от 2 до 2,5 сантиметров), легкий (около 0,5 грамма) и живет около трех месяцев, что для маленького жука — долгое время. Рюкзак с электроникой взаимодействует с антеннами жука, и когда антенны стимулируются электрическим импульсом, он активирует встроенный механизм спасения жука, обманывая его, заставляя думать, что он сталкивается с чем-то, и заставляя его повернуться.
Преимущество такого подхода (в отличие от прямой нервной или мышечной стимуляции , с чем исследователи также экспериментировали) состоит в том, что мозг жука по-прежнему отвечает за управление своими конечностями, так что он будет реагировать на высокоуровневые средства управления с помощью адаптивные походки и тому подобное, что делает проблему передвижения намного более простой для решения. Всего с двумя батарейками типа «таблетка» кибетом можно управлять в течение 8 часов, что достаточно для того, чтобы он мог пройти километр со средней скоростью 4 см / с.
Ключ к эффективному контролю над насекомым с помощью этих методов заключается в том, что реакция на стимуляцию антенны не может быть двоичной, поскольку в конечном итоге вы получите уровень контроля, который часто будет слишком грубым, чтобы быть полезным. Изменяя частоту стимуляции, исследователи смогли отрегулировать, насколько круто поворачивает насекомое: увеличение частоты стимуляции также увеличивало скорость поворота насекомого с вероятностью успеха более 85 процентов. Одновременная стимуляция обеих антенн заставляет насекомое отступать, и по умолчанию оно движется вперед, давая вам столько контроля, на сколько вы можете надеяться.
Для получения более подробной информации мы поговорили с Тат Тханг Во Доаном, первым автором статьи об этом кибернетическом насекомом, опубликованной в журнале Soft Robotics .
IEEE Spectrum: Чем ваши живые роботы отличаются от других кибернетических насекомых, которых мы видели в прошлом, таких как тараканы, стрекозы и более крупные жуки?
Тат Тханг Во Доан: электрическая стимуляция обычно используется для нервно-мышечной стимуляции у насекомых-киборгов, таких как тараканы, гигантские жуки и мотыльки. Есть другие группы, работающие над антенной стимуляцией, но они не смогли оценить реакцию насекомого, что очень важно для разработки точной системы управления с обратной связью, позволяющей насекомому-киборгу работать автономно.
Наш гигантский жук-киборг в основном полагается на нервно-мышечную стимуляцию мышц прямого полета для управления полетом и мышц ног передних ног для управления ходьбой. В идеале, стимуляция мышцы была бы более точной, так как мы можем полностью контролировать отдельные ноги, но это требует дополнительных затрат на имплантацию и вычисления для планирования и стимуляции всех отдельных мышц для ходьбы. Стимуляция антенны проще и легче, чем стимуляция всех отдельных мышц, поэтому она помогает нам значительно упростить оборудование и систему управления. Надеюсь, что в ближайшем будущем мы сможем управлять жуком-киборгом так же точно, как и любым другим искусственным двигателем.
Как это соотносится с проектом Дрейпера DragonflEye ?
Киборг стрекоза на основе оптогенетика для нервной стимуляции будет наименьшим киборг насекомое раз доказывали. Хотя оптогенетика — популярный метод, она требует модификации генов. На данный момент мы не уверены, может ли оптогенетика точно контролировать передвижение насекомых, поскольку было выпущено не так много информации. Тем не менее, мы надеемся, что стрекоза-киборг хорошо себя зарекомендует и в будущем сможет сотрудничать с другими насекомыми-киборгами для проведения поисково-спасательных операций.
Мы считаем, что не существует идеального насекомого-киборга. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Лучше, если мы сможем использовать их все вместе для совместной спасательной операции, чтобы максимально повысить эффективность.
Почему вы решили использовать именно этот вид насекомых?
Мы используем жука Zophobas для развития этого насекомого-киборга, потому что его небольшой размер (2-2,5 см) поможет ему легко получить доступ к системе мелких завалов в местах бедствий, куда не могут проникнуть тараканы и гигантские жуки. Более того, роение летающих а ходячие насекомые-киборги различных размеров увеличат зону действия и сократят время поиска, тем самым повысив эффективность и точность поисково-спасательных операций.
Смогут ли эти насекомые нести сенсоры? Как они будут контролироваться в случае бедствия?
Для выгула насекомых-киборгов мы можем встроить в рюкзак внешние датчики, поскольку насекомое может переносить грузы, вес которых вдвое превышает его. Мы разрабатываем новый рюкзак со встроенными датчиками для обнаружения людей и навигации. Это поможет нам обнаруживать жертв при использовании насекомых-киборгов в местах бедствий и позволит насекомым-киборгам работать автономно.
В случае катастрофического сценария мы могли бы выпустить на участки сотни летающих и ползающих насекомых-киборгов, поскольку цена одного насекомого-киборга будет незначительной после массового производства. Насекомые могут свободно перемещаться в разрушенные конструкции и отправлять обратно карты своего местоположения и условий окружающей среды, чтобы команда спасателей могла эффективно спланировать свои действия, определяя, как и куда им следует получить доступ. Как только насекомое обнаруживает жертву, оно отправляет сигнал тревоги спасательной команде и переключается в режим автономного управления, чтобы перемещаться вокруг жертвы для подтверждения и построения более четкой карты окружающей среды. По окончании спасательной операции все насекомые автономно вернутся на контрольную базу. Я знаю, что это звучит как научная фантастика, но на самом деле мы работаем над ее реализацией.
Как вы думаете, когда такие живые роботы будут полезны для практических приложений в реальном мире?
Основываясь на текущем прогрессе насекомых-киборгов, я думаю, что мы сможем использовать насекомых-киборгов для некоторых реальных приложений в течение 5 лет. Я, конечно, не имею в виду поисково-спасательные операции, на это нам потребуется гораздо больше времени.
Над чем ты работаешь дальше?
Сейчас мы работаем над системой управления с обратной связью, чтобы точно контролировать передвижение насекомых с высокой надежностью. Мы также разрабатываем новый рюкзак с системой навигации и датчиками окружающей среды, предназначенный для популяризации полностью автономных и практичных насекомых-киборгов.
Для реальных приложений нам необходимо поддерживать источник питания для насекомого-киборга (в основном для рюкзака с электроникой), что в настоящее время является огромной проблемой, если мы просто полагаемся на батарею. Поэтому мы разрабатываем биотопливный элемент, который может преобразовывать биотопливо внутри насекомого в электрический ток для управления рюкзаком. Это поможет сохранить мощность рюкзака при длительном использовании.
Мои с мужем малыши взахлёб произносят новинки с этого сайта. Превеликое спасибо созидателю