Draper erstellt Insektenroboter als Teil von DragonflEye

Die kleinsten unbemannten Luftfahrzeuge ähneln in vielerlei Hinsicht Insekten, können sie jedoch in Bezug auf Manövrierfähigkeit und Effizienz nicht übertreffen. Es wird sehr lange dauern, bis es Wissenschaftlern gelingt, einen universellen Soldaten zu schaffen, der technologische Fähigkeiten und natürliche Fähigkeiten kombiniert - einen Insektenroboter. In den letzten Jahren haben Forscher gelernt, große Insekten mit elektrischen Implantaten zu bekämpfen - eine Art Brute-Force-Methode mit begrenzten realen Vorteilen.

Jetzt hoffen Wissenschaftler des Howard Hughes Medical Institute zusammen mit dem Draper Laboratory, die Einschränkungen zu überwinden, indem sie eine Cyborg-Libelle schaffen, die „Miniaturnavigation, synthetische Biologie und Neurotechnologie“ kombiniert. Durch die Kontrolle der Libelle entwickeln Laboringenieure eine Möglichkeit, das Nervensystem von Insekten genetisch so zu verändern, dass sie auf Lichtimpulse reagieren können. Sobald sie erfolgreich sind, ermöglicht der als optogenetische Stimulation bekannte Ansatz der Libelle, Güter zu transportieren, externe Beobachtungen durchzuführen und sogar Bienen dabei zu helfen, Pflanzen besser zu bestäuben.

Aber warum genau eine Libelle? Sie sind auf der ganzen Welt verbreitet und außerdem aufgrund ihrer geringen Größe sehr robuste und geschickte Flyer. Weitere Arbeiten könnten die Verwendung des Kontrollsystems für andere Insekten, einschließlich wichtiger Bestäuber, erweitern.

Das DragonflEye-Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern des Draper Laboratory und dem Howard Hughes Medical Institute. Das Team entwickelt winzige optische Fasern, die mithilfe von Lichtimpulsen spezielle Flugsteuerungsneuronen aktivieren können. Herkömmliche Glasfasern sind zu steif, um die winzigen Nervenstämme von Libellen umwickeln zu können. Daher haben Wissenschaftler für diese Zwecke ein innovatives flexibles Material entwickelt. Auf diese Weise können Sie die Funktionalität erheblich erweitern und das Gewicht und die Größe des gesamten Steuerungssystems erheblich reduzieren.

Darüber hinaus gelang es einer Gruppe von Wissenschaftlern, die gesamte Elektronik in einen kleinen „Rucksack“ zu packen. Dies bedeutet, dass kleine Insekten wie Bienen oder Libellen damit fliegen können. Durch die Verwendung von Sonnenkollektoren zum Sammeln von Energie konnte ein so kleiner „Rucksack“ entwickelt werden, wodurch der Bedarf an Batterien minimiert wurde. Ein Steuerungssystem und eine Navigation sind integriert, sodass eine vollständig autonome Navigation außerhalb der kontrollierten Umgebung möglich ist. Dies ist das System der ersten Generation, mit dem Sie Insekten mithilfe optogenetischer Stimulation kontrollieren können.


Nahaufnahme Rucksackkomponenten

Forscher haben untersucht, wie spezielle "Steuer" -Neuronen die Flugrichtung einer Libelle steuern. Solche Neuronen sind eine Art Interneuron, das weder sensorisch noch motorisch ist. Wissenschaftler glauben, dass Interneurone "Lenkbefehle" über die neuromuskulären Verbindungen geben, die die Bewegungen der Flügelmuskeln koordinieren und einen stabilen Flug aufrechterhalten. Sie wirken punktuell ohne unbeabsichtigte Aktivierung benachbarter Neuronen und Muskeln aufgrund der Optogenetik. Dieser Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, einzelne Neuronen mit Licht zu aktivieren, was mit Elektrizität nicht möglich wäre.

In früheren Entwürfen wurden Elektroden verwendet, um die Muskeln des Insekts zu kontrollieren und es zu zwingen, das zu tun, was es brauchte. Die Ingenieure des Draper Laboratory entschieden sich für einen heiklen Ansatz mit optogenetischer Technologie - die Aktivierung bestimmter Neuronen mithilfe von Lichtimpulsen. Die Neuronen, die für die Kontrolle des Insekts verantwortlich sind, können auch als Brücke zwischen den Libellensensoren und ihren Muskeln fungieren. Auf diese Weise kann eine zuverlässigere Kontrolle über die Bewegungen des Insekts erreicht werden.

Gewöhnliche Libellen wiegen etwa 600 Milligramm und wandern über große Entfernungen. Vergleichbare mechanische Flugzeuge heben Gewichte viel weniger effektiv, stabilisieren den Flug und sparen Energie. Diese Ineffizienz schafft ein grundlegendes Problem: Eine Technik kann nur sehr kleine Energiequellen transportieren, was bedeutet, dass sie nur für Kurzzeitflüge geeignet ist. Das DragonflEye-System benötigt keine Stromquelle für den Flug - nur für die Navigation. Aufgrund der Fähigkeit von Insekten, Energie aus der Nahrung zu erhalten, und der Fähigkeit des Navigationssystems, Energie aus der Umwelt zu sammeln, kann es nahezu unbegrenzt funktionieren.

Das Team konzentriert sich nun auf die Entwicklung von Methoden zur Abgabe von Libellenspezifischen Genen zur Erzeugung spezieller lichtempfindlicher Kontrollneuronen. In der nächsten Entwicklungsphase plant ein Team von Forschern und Ingenieuren, die Größe und das Gewicht des DragonflEye-Systems durch die Schaffung eines benutzerdefinierten integrierten Single-Chip-Systems zu reduzieren. So können kleinere Insekten diesen „Rucksack“ tragen.

Frühere Versuche, den Flug von Insekten zu kontrollieren, wurden in Bezug auf größere Insekten unternommen - verschiedene Käfer und Heuschrecken, so dass sie relativ große elektronische Systeme auf ihrem Körper aufbauen können, die bis zu 1,3 Gramm wiegen. Diese Systeme verfügen nicht über eine integrierte Navigation und die Möglichkeit, Befehle zur drahtlosen Steuerung des Flugs zu senden. Dann ersetzten die Wissenschaftler die Eingangssignale, um den Flug zu steuern und die Neuronen und Flügelkontrollmuskeln direkt zu stimulieren. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass sich Insekten anpassen und nicht mehr auf sensorische Informationen achten, die nicht mit anderen Gefühlen übereinstimmen. Ein solches System beeinträchtigt die Muskelkontrolle, die für einen stabilen Flug erforderlich ist. Es verwendet auch eine elektrische Stimulation, die nicht nur Neuronen, sondern auch die Muskeln in der Nähe der Elektroden aktiviert.

Durch die Verfolgung von Insekten und Kleintieren können Forscher ihr Verhalten in freier Wildbahn besser verstehen, Umweltveränderungen überwachen und Richtlinien für den Schutz wichtiger Ökosysteme entwickeln. Neben der Verfolgung bietet das System eine Miniaturtechnologie zur Ausstattung einer Vielzahl von Insekten mit Umgebungssensoren.