Brouci kyborgové

létající křídla nejsou přímo spojeny s hrudních svalů. Hmyz pravidelně napětí a uvolnění svalů, které způsobují hrudní změna tvaru. Tato deformace následně vedlo k tomu, že křídla začnou třást jako kolísat čelistech (poboček) vidlice po nárazu. Tímto způsobem to letí vystačí s velmi malým úsilím přeměnit zanedbatelné množství energie v množství pohybů.

Konstruktéři tlačil miniaturizaci elektronických obvodů výpočetní techniky a způsoby výroby microproducts, dělá vše, co je v jejich silách a snaží se vytvořit malý letoun, reprodukuje pohyb hmyzu schopností. Přístroj DelFly Micro, který byl zaveden v roce 2008, výzkumníci z Technické univerzity v Delftu v Holandsku, pouze s 3 hmotnostní g má rozpětí 100 mm a křídla, které jsou schopné nést malou kameru. Vozidlo vyrobené v Harvard mikro robotů Laboratories, ještě méně z její hmotnost je pouze 0,06 g (což je čtyřnásobek množství setrvačné hmoty), ale řízení jeho letu po startu nemožné. Nicméně, skutečný Achillovou patou mechanických hmyzu stát výkon: nikdo dosud nepodařilo najít způsob, jak zásobit se v miniaturních baterií mají dostatek energie na pohonné hmoty vozidla více než několik minut letu.

V posledních letech jsme se zaměřili na hledání způsobů, jak vyřešit všechny technické omezení. Spíše než vytvářet od nuly mechanického brouka, jsme se rozhodli použít jako letadla, které existují v přírodě hmyzu. To by odstranilo těžkých baterií a výrobních technik microproducts a soustředit se na budování systémů řízení, v případě potřeby zasahovat do letu. Jinými slovy, hmyzu mouchy samo o sobě, ale je obvod připojen k jeho nervový systém přenáší povely obsluhy: odbočit vpravo nebo vlevo, stoupání nebo jít dolů. Výsledkem je létání cyborg - část hmyzu, částí stroje.

Za tímto nápadem přišli jsme před pěti lety, kdy jeden z autorů (Mitchel Maharbis) se zúčastnil sympozia o létání kyborga, který stráví agenturu pro obranu Advanced projekty (DARPA). (Hirotaka Sato, v mikrotechnologií odborník uznává, že málo zběhlý v entomologii.) Sympozium diskutovali technologii, která by mohla umožnit biologové přijímat a zaznamenávat elektrické signály z jednotlivých svalů létajícího hmyzu. DARPA manažer programu Amit Lal (Amit Lal), který se uskutečnil seminář, myslel, že je čas zaměřit se na tyto úspěchy za účelem zjištění, zda se má přenášet elektrické signály a nemůže být na sval přes implantovaný čip, což způsobuje hmyz se pohybovat, která je nezbytná pro nás.

Hmyzu cyborg by mohly provádět celou řadu vojenských úkolů, jako jsou zprávy, kolik lidí a kdo přesně je v budově nebo v podzemí, na vojáky, kteří budou bouře místnost, vědí, co mohou očekávat. Křemík-uhlíkové hybridy by také mohla být základem pro roboty tvorbou-insectoid, jejichž cílem je provádět civilní úkoly, jako je hledání přeživších pod troskami způsobené zemětřesením.

Video: Test-cyborg brouci byli drženi v USA

Přípravné práce s texaské chroust ukázalo, že se řídí práce křídel může být. V tomto prvním modelu, tým již předem zabudovány do mikroprocesoru, ale pro rádia v placené části brouka bylo nutné zapnout rádio, ale byl příliš těžký pro hmyz až 2 cm dlouhé.

Autoři pečlivě předem stanovený sled elektrických pulzů stimulovat relativně velké oblasti neuromuskulárního systému brouka ke spuštění by poletom.Esli stimulace obvod vychází z vybuzení jednotlivých neuronů, dosáhnout
reprodukovatelnost výsledků u různých jedinců by bylo nemožné. bod připojení implantátu může být změněn během letu, který by dělal brouk neovladatelný.

RADIO AFC

Inženýři vyvinuli radio ovládání přenosovou soustavu brouků v letu, v mnoha ohledech podobné těm, které se používají ke kontrole modelářů modely aut, letadel a vrtulníků.

BEETLE Mechanika letu

Brouci jsou poháněny svými křídly stejně vibrujícími ladička nohou. Místo toho, aby přímo pohybu křídla nahoru a dolů, dva svalové systémy (znázorněné na obrázku v oranžové a modré fázi snížení relaxační fáze), pracující střídavě deformované žebro část shell brouka. V důsledku toho křídla velmi rychle pohybovat nahoru a dolů

Letová dráha Cyborg

Výzkumní pracovníci v laboratorních Maharbisa kyborgských brouků umístěných ve speciální zkušební komoře (spodní obrázek vydá Sato). Let začal (bílé čáry v pravém dolním rohu obrázku vpravo) ke stimulaci zrakového laloky brouka, která zahájila „letové chování.“ Elektrický impuls použít na pravé bazalyarnuyu svalu nutil brouk odbočit doleva, a stimulací levého bazalyarnoy svalů způsobuje pravou zatáčku. Skončil letu (levý horní roh), kdy byl podíl podán optický puls delší trvání než ten první.

Video: Science News z 31/03/2016 (kyber brouka)

proč brouci

Mnoho vážných studie popisující letu s kobylkami, motýly a mouchy byly provedeny před DARPA sympozia. Věřil jsem, že na základě těchto monografií, může vést ke snížení počtu neúspěšných pokusech, které vždy doprovázejí zahájení prací v nové oblasti výzkumu. Motýli a kobylky mají dostatečně velkou velikost, ale nemůže nést velkou zátěž, proto byly opuštěny. Muhi.U tento hmyz bylo hodně zásluh. Za prvé, biologové vědí hodně o nich. Michael Dickinson (Michael H. Dickinson) a jeho kolegové z California Institute of Technology podrobněji přezkoumat, jaké svaly, kdy a kde by měla být snížena na okřídlené zvíře vylezlo nebo obrátil. Za druhé, moucha extrémně efektivní využívání energie, což jim umožňuje pohybovat křídla s fantastickým skorostyu.Odnako technicky pracovat s mouchy je velmi obtížné: oni jsou tak malé, že pro implantaci v nich potřebné dráty a mikročipy být nanosurgery. Začal jsem hledat alternativu. Vážky jsou velké a krásné letci, ale příliš hrupki.Mozhet být vhodné šváby? A pak jsem narazil na práci biologie brouků je klasický průvodce světem brouků, které Roy Crowson (Roy A. Crowson) v roce 1981

Zjistil jsem, že brouci létat téměř stejně jako mouchy. Zodpovědný za letové svaly hrudní brouka deformovat svůj plášť, takže křídla kmitat podobně větví ladičky. Typy svalů a jejich umístění se také zdá blízko, že mouchy. Myšlenka, kde začít, vedla k několika jemných studium brouků, vyrobené po roce 1950. A co je nejdůležitější, možná velikost těchto hmyz: brouci a mají více než 10 cm, a to pouze 1 mm. Kromě toho tvoří asi pětinu z celkového počtu známých druhů hmyzu. Takže teoreticky, se zdálo, že legkodostupnymi.No jsem narazil na nový problém: ve Spojených státech, téměř nikdo se zabývá chovem brouků, dostatečně velký pro mé účely. Ve skutečnosti, aby se dosáhlo stabilních dodávek „test“, který jsme nyní koupit od chovatelů v Evropě a Asii, naše laboratoř trvalo několik let.

A v tomto okamžiku v našem výzkumu připojen Hirotaka Sato, druhý autor tohoto článku - chemik který má zkušenosti s výrobou microproducts. Naším cílem bylo ukázat, že můžeme vzdáleně poslat hmyz v letu, a řídit směr a rychlost letu, stejně jako to zastavit, když se dostane do nastavené mesta.Kak inženýry jsme chtěli všechny funkce jsou prováděny s minimálním poškozením hmyzem.

Za prvé, jsme museli identifikovat minimální sadu funkcí chování, kontrola, která je nezbytná pro vytvoření nejprimitivnější létajícím kyborga. Pro ovládání chybu ve volném letu, jsme si vybrali rádiové dálkové ovládání, podobné těm, které se používají pro vozidla, modely letadel a vertoletov.Trebovalos umožní volitelný spuštění a zastavení křídla zvyšovat a snižovat rychlost a výšku letu hmyzu a učinit z něj odbočit vpravo a vlevo , My jsme v žádném případě nechtěli kontrolovat všechny letové vlastnosti, stejně jako brouky a kontrolovat jejich polohu vzhledem k horizontu, a nastavte na dráhu letu, v závislosti na větru a překážkami.

Zároveň bylo nutné, aby bylo možné přenášet signály přímo na nervosvalové systému hmyzu, tesařík zastavit pokusy o něco jiného, ​​než je uvedeno. Jakýkoliv cyborg, které mohou vymknou kontrole, bude nevhodné robotom.My nejednala vslepuyu.Bolshinstvo brouky, rozhodli jsme se do práce, který je schopen nést náklad až do výše 20-30% jejich vlastní hmotnosti. To znamená, že maximální rozměry zařízení „řídicí systém“ je definován podle velikosti hmyzu. Vzhledem k tomu, abychom věděli, které svaly řídí provoz po křídle, měli jsme důvod se domnívat, že dodávka elektrické signály odpovídajícím způsobem měnit frekvenci na svaly každé straně těla hmyzu nám dá možnost změnit dráhu jeho letu, změna režimů křídel.

Víme také, že brouci v letu jsou široce používány vizuální informace. Stejně jako u lidí, světlo vstupující do oka hmyzu, rozrušit citlivé na světlo, neurony. Z těchto signálů ne-Reda prostřednictvím vizuálních laloků v polovině mozku a ganglií, kde jsou zpracovány tím, že poskytuje hmyz vizuální informace v průběhu jeho pohybu. Máme také informace a že v mnoha případech je důležité, a intenzita světla. To znamená, že náklady dramaticky vypnout světla v místnosti, jako útěk brouků okamžitě zastavit. To vedlo k domněnce, že potřebují dotykového signál od oka, aby i nadále pracovat křídla. odůvodněné jsme, že stimulace optických laloků nebo oblastí blízko své základny může mít potřebné motorické reakce. Vzhledem k tomu, implantace elektrod přímo do očí nebo optických laloky snížit schopnost hmyzu k manévrování, jsme se rozhodli podpořit zóny u paty optických laloků. Stimulují jednotlivé neurony ne my potrebovalos.Kogda jsme poslali na příslušný elektrický impuls v oblasti poblíž základny optických laloků brouk zbytek práce prováděné svůj vlastní systém, a vyslal hmyz v letu.

poškozování

První úspěšný let byl předcházelo mnoho neúspěchů. Nejprve jsme pracovali s brouky poloviny-potemníků (Zophobas morio) o délce asi 1,5 cm a hmotnosti 1 g

Výsledkem je, že jsme přešli na Texas bronzovok (Cotinis Texana) o délce 2 cm a váží 1-1,5 g, rozšířený na jihovýchodě Spojených států. Texas chroust, nejen známý letec, ale také škůdce ovoce sadov.I za rok nebo dva, jsme obdrželi tisíce těchto brouků od zemědělců, kteří nemohli uvěřit, že někdo je ochoten nejen dodat jim před škůdci, ale také připlatit.

Vzhledem k tomu, Texas chroust schopné nést užitečné zatížení pouze 200 až 450 mg, původní systém neměl rádio. Chcete-li zjistit postup kontroly, jsme položili letový tým v mikroprocesoru a sledoval chybu ve volném letu, vázané na řetězec nebo pevné rámci kardanového kloubu. (Upevňovací chybu v této suspenzi umožňuje se dívat na to v „letu na místě.“)

První úspěch s brouci Cotinis bylo dosaženo během dvou měsíců. Po nějaké experimentování, jsme zjistili, poměrně velkou část neuronů, elektrická stimulace, které umožní reprodukovatelné a předvídatelné modulační letu. Zjistili jsme, že stimulace mozkových oblastí Beetle leží právě uprostřed mezi jeho levých a pravých optických lalůčky, rychlé elektrické impulsy (asi 10 ms, a frekvence asi 100 Hz, trvání) způsobuje hmyz porazit svá křídla a věnovat náležitou letovou pozici téměř ve všech případech ( v 97% případů, abych byl přesný). Je také zajímavé, že delší puls, podané ve stejné zóně, úplně zastavit pohyb křídel. Jinými slovy, můžeme spustit nebo zastavit letu brouka přivádění prvního impulzu, což křídla do práce, a pak druhý, který ukončí provoz křídel.

Zdá se, že čím déle impuls způsobí přetížení na základně vizuální neuronů laloku, blokuje přenos elektrické signalov.V zničena spouštěcí signál, který podporuje vibraci křídel. Zjistili jsme, že elektrické impulzy pracovala dobře znovu a znovu, bez ohledu na to, co bych chtěl, aby chyba v tuto chvíli. V případě, kdy jsme začali uplatňovat 10 ms pulzy, hmyz leze na stole, to začne bít jeho křídla a vzlétnout. Budeme-li se otočil brouka na stole na zádech začal bít křídly v této poloze. Kdyby letěl, a jsme aplikovali další impulz, jeho křídla přestal pracovat, spadl a šel polzti.Nikakih známky toho, že naše pokusné osoby přijaté škody, a to i v případě pádu na podlahu, nemáme nablyudali.Zhuki s implantovanými vodiči žil mnohem mnoho, a jejich volné protějšky (několik měsíců). Jsou to jen létání, stravování a páření. Dále jsme zjistili, že při použití střídavě v rychlém sledu signálů „start“ a „stop“ může být modulován vibracemi křídel. To znamená, že když brouk létá rychle střídavě uplatňovat dva týmy neukončí svá křídla, ale poněkud ho brání. V důsledku změn vytvořených křídly trakce, což nám umožňuje řídit sílu vyvinutou hmyzu létat jako pilot s využitím plynu pro regulaci tahu motoru letadla.

Tvorba brouka proměnit, my microwires implantované v jeho pravé a levé bazalyarnye svalů. Krmení 10 ms impulsů na pravé paži, udělali jsme ji vyvinout větší sílu, což způsobuje hmyz otočil nalevo.V Nakonec jsme začali pracovat s brouky mecynorrhina torquata, jejíž hmotnost dosahuje 8 g, což z nich dělá ideální přenašeči rozhlasu a užitečného zatížení, jsme vyvinuli do té doby.

Další kroky

Neméně zřejmé, než některé z našich úspěchů, že je třeba jít dále. I když jsme dokázali, že jsme schopni učinit brouci odbočit vlevo a vpravo a podívejte se kolem sebe, chceme být příležitost vyslat své letové dráhy na složitý trojrozměrný, takže mohou překonávat překážky, jako létat do areálu přes komíny nebo trubky. Za tímto účelem jsme zahrnuli do placené miniaturních mikrofonů, které detekují vibrace křídly v letu. Když zvuk dosáhne určité úrovně, hrubě orientační intenzity křídla kmitů, můžeme poskytnout přesně vybrané stimulační impulzy do svalů, které ovládají brouk otáčí za letu.

Zařízení funguje skvěle, ale my jsme mohli využít pomoci při tvorbě programů pro správu našich letové zkoušky hmyzu. Obrátili jsme se na některé z jeho kolegů, kteří mají bohaté zkušenosti při vytváření programů pro zcela umělé letadla. Na základě dosavadních zkušeností s bezpilotních vrtulníků Peter Abbil (Pieter Abbeel) z University of California v Berkeley a jeho studenti Svetoslav Kolev (Svetoslav Kolev) a Nimbus Gehauzenom (Nimbus Goehausen) na základě vypracovat systém řízení, který bude rozbít složitých příkazů (například příkaz k „otočení 200 vpravo „) do složky (např.,“ soubor 10 ms impulsů na levé bazalyarnuyu svalu po tolika sekund „). Pak musí uživatel zadat pouze určitou korekci kurzu a stanoví pobídky potřebné k poslat chybu v požadovaném kurzu je mikroprocesorem. Chcete-li zjistit, jaký by měl být sled impulsů, jsme použili magnetickou rezonanci, rozsáhlé studie anatomie brouků a jejich natáčení vysokorychlostního ve vzduchu určit prostorovou konfiguraci a funkce některých jiných svalů, které je odpovědné za provoz každým křídlem. Na základě údajů, které dnes máme se zaměřením na různé svaly, aby bylo možné více stabilně ovládat rychlost a válce brouka ve volném letu.

Musím vytvořit kyborg brouky?

zda hmyz bude dálkově řízenými roboty užitečné as - otevřená otázka, i když si myslím, že je. Na trhu a bude nadále dělat vše, menší a lehčí mikroprocesory a rádio, které nám umožní vyvinout mnohem spolehlivější a přesnější našimi regulátor kyborgských brouků. Vzhledem k tomu, vývoj miniaturizovaných zdrojů vysokokapacitního napájení nebo mechanických křídel s vysokou účinností i nadále představovat velké problémy, naše brouci se svými mimořádně účinných svaly budou mít významnou výhodu oproti plně umělé letadla.

Video: Brouci Cyborgs nahradí letouny; AI se naučí hrát poker (31/03/2016) News

Ze všech možných dopadů, které mohou způsobit naši práci je nejdůležitější, jsme přesvědčeni, že následující: jako miniaturizaci výpočetních zařízení, a naše chápání biologických systémů, lidstvo se snaží začlenit více a důrazněji umělé rozhraní na řídicí obvody živých bytostí. Vývoj detailu počínaje hmyzem pomoci vyvarovat se chyb při práci s více vysoce organizovaných tvory, jako jsou krysy a myši, a později s lidmi. Možná to bude odloženo do budoucna mnoho z etických otázek (zejména - svobodné vůle), které se výrazně zvýší, pokud budou zahájeny práce s obratlovci. Práce s brouky kyborgů nezabrání vědce zabývající se tvorbou zcela umělých robotů (protože někdy lidé zefektivnit stroj než příroda). Ale věda měkkého integraci živých bytostí s umělými prostředky je v plenkách.