Мухи и их ум: как членистоногие двигают робототехнику вперед
Пока пользователи ждут нашествия собак Robot dynamics, инженеры рассматривают насекомых и прочих букашек: подсматривая за природой, ученые и робототехники учатся воспроизводить то, что отлично работает уже миллионы лет в постоянно меняющейся среде. Как мухи, крабы и пауки двигают роботостроение вперед?
Учёные из американского Университета Райса занялись мозгом плодовых мушек — тех, что прилетают на запах испорченной еды. Для эксперимента мухи были генетически модифицированы. Исследователи придумали хитрый механизм, чтобы управлять членистоногими: они использовали теплочувствительный ионный канал в нейронах мух. Когда рецепторы воспринимали тепло, происходила активация этих нейронов, которые заставляли мух расправлять крылья. Обычно такой жест связан у этих насекомых со спариванием.
Триггером для включения нейронов выступили наночастицы оксида железа — их ввели мухам в мозг. При включении магнитного поля частицы нагревались и активировали нейроны.
Этот эксперимент может помочь восстановить зрение у некоторых пациентов путем стимуляции зрительной зоны коры головного мозга, не затрагивая при этом глаза.
Ранее такие эксперименты уже проводились на мышах: ученые ищут способы лечения двигательных нарушений у людей, причины которых также кроются в мозге.
Некроботика
Бывает, что изобретать ничего не надо — стоит лишь подсмотреть, что уже придумала природа. Удивительный механизм, который приводит в движение конечности пауков, навел учёных на интересную идею. Его можно сравнить с «гидравликой», для управления которой у членистоногих есть специальный орган в передней части тела. Он заставляет конечности сокращаться и расслабляться. Ученые из Университета Райса насобирали мёртвых пауков и разработали способ заставить их повторять такие движения. Исследователи даже придумали название для этой области исследования — «некроботика» (necrobotics).
Биологи ввели в просому — часть тела паука, отвечающую за ту самую гидравлику, — иглу, которую прикрепили с помощью клея. В камеру просомы начали вводить и откачивать воздух — так конечности мертвого паука стали двигаться. В итоге пауки поднимали объекты, на 130% превышающие вес самих пауков. Ученые отметили, что одного паука хватает примерно на 1000 циклов открытия/закрытия, потом ткани начинают деградировать. Для увеличения срока службы конечностей исследователи хотят использовать полимеры. Ученые говорят, что затея с некроботикой имеет вполне прикладное значение: технология может быть полезна при перемещении и монтаже мелких предметов при сборке микроэлектроники.
Роботы
Робототехника может кое-чему научиться у членистоногих. Особенно, если учёные хотят создавать крошечные объекты с искусственным интеллектом, которые способны двигаться, планировать и сотрудничать друг с другом. Например, нидерландские ученые помогли разработать крошечных дронов, которые обнаруживают утечки газа в зданиях. Наблюдая за насекомыми, исследователи из Вашингтонского университета создали летающего робота с парой крыльев, не намного тяжелее зубочистки, который способен взлетать и приземляться.
Крошечные размеры и простая электроника делают таких роботов дешевыми и потенциально полезными: при поиске людей, наблюдении и даже опылении цветов.
Главным препятствием для исследований остается размер этих роботов: всё, что захочется, нельзя уместить в одном устройстве. Многие современные нейронные сети не смогут работать на таких маленьких роботах. Даже самые маленькие процессоры, которые способны запускать такие модели, сейчас слишком тяжелы и энергозатратны для небольших летающих роботов. И задача исследователей — сделать их как можно меньше и легче.
Нейроморфный чип Intel Loihi приводит в действие модель нейронной сети для управления летающим роботом. Необязательно применять сразу современное сложное ПО на новом оборудовании. Реальный прогресс будет достигнут, когда новые алгоритмы и модели будут способны работать на энергоэффективном оборудовании и смогут воспроизводить поведение насекомых. Ведь преимущество мух и жуков — в использовании простых, но надежных решений для эффективного поведения в сложных, динамичных, в иногда и враждебных условиях.
Журчалки
Беспилотники стали головной болью аэропортов в разных странах: из-за летающих поблизости аппаратов приходится отменять рейсы. Современные системы используют визуальные, слуховые или инфракрасные датчики, но эти технологии дают сбои в условиях плохой видимости или громкого шума.
Помочь обнаружить дроны могут мухи, точнее, их глаза. Австралийские ученые разработали визуальную систему, которую подсмотрели у журчалок — полосатых мух, которых можно спутать с осой.
Журчалки обычно парят вокруг цветов и обладают невероятно острым зрением и быстрой реакцией. Этим они обязаны строению своих сложных глаз, которые воспринимают много разной информации одновременно. Главная особенность визуальной системы журчалок — умение отделять релевантные сигналы от бессмысленного шума, что может пригодиться в обнаружении дронов.
Многие животные обладают подобной эффективной системой, но простой мозг мух — и, как следствие, простота его исследования, — делают насекомых особенно полезной моделью для экспериментов.
Команда ученых потратила более 10 лет, чтобы тщательно изучить нейронные пути, соединяющие глаза журчалок и их мозг.
Разработанный на основе мушиных глаз алгоритм ИИ обнаруживает беспилотники на расстоянии до 50% дальше, чем существующие алгоритмы. Секрет заключается в спектограммах: исследователи вводили не визуальные данные в алгоритм, а визуальные представления звука. Спектограммы создавали на основе акустических данных, записанных на открытом воздухе во время полета дронов. Так ИИ научился отделять шум от едва уловимых реальных звуков дронов.
Краб на монете
Иногда бывают впечатляющие прорывы. Команда исследователей Северо-Западного университета США создала крошечного робота-краба, который может уместиться на краю монеты.
Миллиметровый краб — самый маленький робот с дистанционным управлением, когда-либо созданный человеком. Он может ходить, ползать, поворачиваться, прыгать, сгибаться и крутиться. Инновационный материал, из которого сделан краб, обладает памятью и при нагревании возвращается в изначальную форму.
Создать подобный механизм ученым помогли детские книжки-раскладушки. Инженеры используют лазерный луч для нагрева робота в определенных местах, заставляя краба двигаться. Также лазер сканирует и контролирует направление, в которое робот перемещается. Размер робота играет на руку исследователям: поскольку структуры крошечные, скорость охлаждения материала очень быстрая — и краб может довольно проворно двигаться. Ученые заявляют, что могут создавать ходячих роботов практически любых размеров и форм. Микророботы перспективны в машиностроении и медицине: они могут заниматься сборкой небольших механизмов или устранять раковые опухоли.