Грибы, управляющие роботами?! Это может звучать как что-то из научно-фантастического фильма, но на самом деле это результат реальных научных исследований. Команда в Корнеллском университете разработала инновационного робота, вдохновленного обычными грибами, которые можно найти на лесной подстилке. Этот «биогибридный робот» управляется электрическими сигналами, испускаемыми грибным мицелием. Это действительно замечательное изобретение, которое сочетает в себе мудрость природы с передовыми технологиями.
By Cornell University
Почему использовать грибной мицелий?
Традиционно разработка роботов часто черпала вдохновение из животного мира. Существует множество роботов, имитирующих движения животных, способности к распознаванию окружающей среды и функции регулирования температуры. Однако, когда речь идет о роботах, включающих в себя живые клетки или ткани, поддержание этих биологических систем в здоровом и функциональном состоянии является сложной задачей.
Вот здесь-то и вступает в игру грибной мицелий. Мицелий — это сеть нитевидных клеток, образующих тело гриба, обычно распространяющихся под землей. Мицелий имеет несколько преимуществ:
- Он может расти в суровых условиях
- Он обладает способностью воспринимать химические и биологические сигналы
- Он может реагировать на несколько входных сигналов
Профессор Роб Шеперд, руководитель исследовательской группы, объясняет: «Интегрировав мицелий в электронные компоненты робота, мы сделали биогибридную машину способной ощущать и реагировать на окружающую среду». Под «биогибридной машиной» здесь подразумевается робот, объединяющий биологические элементы (в данном случае мицелий) с механическими компонентами.
Детали исследования
Это исследование изложено в статье под названием «Сенсорно-моторное управление роботами, опосредованное электрофизиологическими измерениями грибного мицелия«, опубликованной в «Science Robotics«. Ведущий автор, Ананд Мишра, заявляет: «Эта статья — первый шаг в ряде исследований, которые будут использовать царство грибов для предоставления сигналов восприятия окружающей среды и командных сигналов роботам, повышая их уровень автономности.»
«Восприятие окружающей среды» здесь означает способность робота обнаруживать свое окружение. «Автономность» означает способность робота самостоятельно принимать решения и действовать без прямого внешнего контроля.
Исследовательская группа объединила экспертизу из различных областей, чтобы решить сложную задачу объединения грибов и электроники. Потребовались знания из механической инженерии, электроники, микологии, нейробиологии и обработки сигналов.
Как работает система
Система, разработанная исследовательской группой, состоит из следующих элементов:
- Электрический интерфейс: Блокирует вибрации и электромагнитные помехи, точно записывая и обрабатывая электрофизиологическую активность мицелия в реальном времени. «Электрофизиологическая активность» относится к слабым электрическим сигналам, испускаемым биологическими клетками. В частности, она измеряет изменения электрического потенциала, вызванные потоком ионов через мембраны клеток мицелия. Эти электрические сигналы колеблются, когда мицелий обнаруживает изменения во внешней среде (свет, температуры, химические вещества и т.д.), образуя основу для восприятия окружающей среды.
- Контроллер: Вдохновлен центральными генераторами паттернов (ЦГП). ЦГП — это нейронные цепи в биологических системах, которые генерируют ритмические движения. Например, ритмы хождения и дыхания у человека контролируются ЦГП.
В этой роботизированной системе концепция ЦГП применяется для преобразования электрических сигналов, полученных от мицелия, в ритмические паттерны движения. В частности, он анализирует периодичность и интенсивность электрических сигналов мицелия и использует эту информацию для генерации паттернов движения робота (ходьба, изменения направления и т.д.). Это позволяет естественно и эффективно контролировать движения робота в ответ на изменения во внешней среде.
Система считывает сырые электрические сигналы от мицелия, обрабатывает их и идентифицирует ритмические всплески (внезапные изменения потенциала). Затем она преобразует эту информацию в цифровые управляющие сигналы и отправляет их на актуаторы робота (устройства, которые генерируют движение). Это приводит к уникальной системе управления, где «ощущения» мицелия непосредственно отражаются в «действиях» робота.
Экспериментальные результаты
Исследовательская группа создала два типа биогибридных роботов:
- Мягкий робот в форме паука
- Колесный робот
Были проведены три эксперимента с использованием этих роботов:
- Эксперимент, в котором роботы ходили или двигались в ответ на естественные непрерывные всплески сигналов мицелия
- Эксперимент, наблюдающий реакции роботов на ультрафиолетовое световое стимулирование (роботы изменяли свои паттерны ходьбы)
- Эксперимент, полностью перевешивающий собственные сигналы мицелия
Эти эксперименты продемонстрировали, что биогибридные роботы с использованием мицелия могут реагировать на окружающую среду и управляться. Иными словами, грибной мицелий функционирует как «мозг» робота, позволяя ему изменять свои движения в ответ на стимулы окружающей среды.
Значение исследования и перспективы на будущее
Это исследование имеет потенциал для обширного воздействия за пределы областей робототехники и микологии. Мишра объясняет: «Этот проект не только о контроле робота. Это также о создании истинной связи с живой системой.»
Профессор Шеперд упоминает о возможных будущих применениях в сельском хозяйстве: «В будущем роботы могут быть способны определять химию почвы в рядах растений и решать, когда добавлять больше удобрений. Это может смягчить последствия сельского хозяйства, такие как вредоносные цветения водорослей.»
Например, если эти «грибы-роботы» смогут патрулировать поля и в реальном времени мониторить состояние почвы, может стать возможным предотвратить чрезмерное использование пестицидов и удобрений, способствуя более экологически чистому сельскому хозяйству.
Кроме того, применение этой технологии выходит за пределы сельского хозяйства. Например:
- Экологический мониторинг: Используя высокочувствительные восприимчивые способности мицелия, можно разработать роботов для обнаружения загрязнения воздуха и воды.
- Спасение при катастрофах: Используя свою способность функционировать в суровых условиях, эти роботы могут быть применены в спасательных операциях на местах разрушений из-за землетрясений или пожаров.
- Медицинская область: Способность обнаруживать минимальные изменения в окружающей среде может привести к разработке микророботов, которые функционируют внутри тела.
- Космические исследования: Их способность выживать в экстремальных условиях может быть применена к роботам, исследующим другие планеты.
Такие технологические инновации не только создают новые типы роботов, но и имеют потенциал для значительных изменений в нашем взаимодействии с обществом и окружающей средой. Например, более точный экологический мониторинг может способствовать мерам по противодействию изменению климата и защите экосистем. Применение в медицинской области может привести к разработке менее инвазивных и более эффективных методов лечения.
Исследовательская группа и структура сотрудничества
Это инновационное исследование стало возможным благодаря сотрудничеству экспертов из различных областей:
- Брюс Джонсон: Старший научный сотрудник в области нейробиологии и поведения. Он предоставил руководство по записи электрических сигналов, передаваемых через нейроноподобные ионные каналы в мембранах мицелия.
- Кэти Ходж: Доцент кафедры фитопатологии и биологии растительных микробов. Она предоставила инструктаж по выращиванию чистых культур мицелия. Сохранение чистоты мицелия необходимо для получения точных электрических сигналов.
- Джесок Ким: Университет Флоренции, Италия.
- Ханна Багдади: Студент-исследователь.
Сотрудничество этих экспертов позволило провести действительно междисциплинарные исследования, объединяющие такие области, как механическая инженерия, электроника, микология, нейробиология и обработка сигналов.
Заключение
Разработка биогибридных роботов, использующих грибной мицелий, является революционным достижением, результатом слияния биологии и инженерии. Исследование не только открывает новые пути для разработки роботов, способных лучше адаптироваться к окружающей среде, но и демонстрирует возможность создания истинной связи между биологическими системами и машинами.
По мере дальнейшего развития этой технологии ожидаются применения в различных областях, таких как сельское хозяйство, экологический мониторинг, спасение при катастрофах, медицина и космическая разведка. Она может привести к разработке более эффективных и экологически чистых технологий, использующих мудрость природы.
Слияние мира грибов и передовой робототехники предполагает новые отношения между природой и технологией. Это исследование подчеркивает важность биологических подходов в будущем разработке роботов и ясно демонстрирует, как междисциплинарное сотрудничество может приводить к инновационным результатам.
Может наступить день, когда «грибы», знакомые нам, станут ключом к созданию передовых технологий. Нам нужно следить за будущими технологическими инновациями, которые объединяют мудрость природы с искусственным интеллектом. Те изменения, которые эта технология может принести обществу — от защиты окружающей среды до достижений в медицине и новых разработок в области космических исследований — могут значительно повлиять на нашу жизнь и будущее нашей планеты. Исследования биогибридных роботов действительно представляют собой новую форму науки XXI века, направленную на сосуществование природы и технологий.
