Крошечный нейроконтроллер, созданный исследователями из Университета Коннектикута, может обеспечить более точное управление футуристическими биоботами, такими как тараканы-киборги, которые уже тестируются для использования в поисково-спасательных миссиях внутри разрушенных зданий.
Ученые провели большую часть последнего десятилетия, изучая способы привязать живых насекомых к миниатюрному компьютерному оборудованию, чтобы они могли манипулировать движением насекомых. Такие возможности интересны Министерству обороны США, поисково-спасательным группам и другим.
Успех был ограниченным, и продолжают существовать многочисленные технологические проблемы. Это в основном связано с огромной сложностью создания роботизированных систем в таких малых масштабах и проблемой сопряжения электронного оборудования с биологической нервной тканью насекомого для инициации движения.
Микосхема нейроконтроллера, разработанная в Калифорнийском университете в Коннектикуте, является частью крошечного электронного «рюкзака», который можно прикрепить к насекомому проводами, соединенными с лопастями усиков насекомого. Посылая небольшие электрические разряды в нервную ткань в левом или правом лепестке антенны насекомого, операторы могут обмануть насекомое, заставив его думать, что оно обнаружило препятствие, заставляя его двигаться в другом направлении. Заряд, отправленный на правую антенну, заставляет таракана двигаться влево. Точно так же заряд левой антенны заставляет ее двигаться вправо.
Хотя аналогичные системы управления насекомыми уже существуют, уникальность контроллера UConn заключается в том, что операторы могут стимулировать лепестки усиков насекомого с помощью четырехканальной микросхемы. Система также обеспечивает обратную связь в режиме реального времени с нервно-мышечной реакцией насекомого на раздражители. Такой уровень детализации облегчает отслеживание и управление движением, что является долгожданным преимуществом в сообществе микророботов-насекомых.
«Использование насекомых в качестве платформ для небольших роботов имеет невероятное количество полезных применений от поисково-спасательных работ до национальной обороны», - говорит Абхишек Дутта, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Коннектикуте, разработавший схему. вместе со студентом-исследователем в своей лаборатории Эваном Фолкнером. «Мы считаем, что наша микросхема представляет собой более сложную и надежную систему управления, которая еще на один шаг приблизит нас к реальной реализации этой технологии».
Значение контроллера поступает в виде усовершенствованного 9-осевого инерциального измерительного устройства внутри устройства UConn, которое отслеживает линейное и вращательное ускорение насекомого, определяет его направление по компасу и определяет температуру окружающей среды вокруг существа. Последняя особенность важна, говорят ученые, потому что тесты показали, что температура окружающей среды может влиять на поведение некоторых насекомых-хозяев.
Информация, собранная микросхемой, передается оператору через крошечную Bluetooth-антенну на устройстве. Сигнал легко определяется обычным мобильным телефоном. По мере поступления данных о направлении, ускорении и других данных насекомого операторы могут экстраполировать траекторию движения насекомого, соответствующим образом настроить стимулы антенн, дистанционно посылать соответствующие электрические импульсы насекомому и направлять его в нужном направлении.
Для тестирования нового контроллера Датта, эксперт в области оптимизации систем управления и киберфизических систем, прикрепил устройство к мадагаскарскому шипящему таракану в своей лаборатории. Тесты показали, что таракан двигался влево, когда его правый лепесток антенны стимулировался, и вправо, когда левый получал небольшой электрический заряд.
Один интересный момент, который заметили исследователи, заключался в том, что интенсивность движений таракана влево или вправо в ответ на искусственную стимуляцию уменьшалась после первоначального стимула. Таким образом, если таракан резко повернул налево после того, как первый электронный импульс достиг правого лепестка антенны, его левый поворот был менее драматичным с каждым последующим импульсом на этот лепесток.
Дутта и Фолкнер планируют провести дополнительные исследования для усовершенствования системы.
Исследование будет представлено на конференции по когнитивной вычислительной нейронауке в Филадельфии 6 сентября 2018 года.