智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
編 | 元琛
導(dǎo)語(yǔ)：通過(guò)光感應(yīng)、生物遺傳、神經(jīng)控制等硬件科技與合成生物技術(shù)，一個(gè)名為DragonflEye的項(xiàng)目在昆蟲(chóng)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域獲得了重大進(jìn)展。它們摒棄了制造純機(jī)械昆蟲(chóng)無(wú)人機(jī)的做法，將生物與科技結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)蜻蜓更可靠的控制與自主導(dǎo)航飛行。
隨著研究的不斷深入，科學(xué)家普遍認(rèn)為要成功打造出和真正昆蟲(chóng)一般無(wú)處不在的、擁有多方面能力的機(jī)器人昆蟲(chóng)是一件十分困難的事情。這也必將耗費(fèi)極為漫長(zhǎng)的時(shí)間。 因此，現(xiàn)在我們依靠一種控制論的方法獲得真正的昆蟲(chóng)來(lái)進(jìn)行替代性試驗(yàn)，希望使之聽(tīng)從人類(lèi)的命令。 在過(guò)去幾年里，研究人員已經(jīng)設(shè)法使用電動(dòng)植入物來(lái)引導(dǎo)大型昆蟲(chóng)。
現(xiàn)在位于馬薩諸塞州劍橋市的研發(fā)公司Draper的工程師希望通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)結(jié)合了“微型導(dǎo)航、合成生物技術(shù)和神經(jīng)技術(shù)”的“可控制蜻蜓”來(lái)克服這些限制。為了引導(dǎo)蜻蜓，Draper的工程師正在開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)通過(guò)遺傳對(duì)昆蟲(chóng)的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使它們可以響應(yīng)光脈沖。 一旦他們獲得成功，這種被稱(chēng)為光遺傳學(xué)刺激的方法便能夠使蜻蜓攜帶有效載荷或進(jìn)行監(jiān)視，甚至幫助蜜蜂成為更好的傳粉者。
DragonflEye項(xiàng)目是由研發(fā)公司Draper和Howard Hughes醫(yī)學(xué)院（HHMI）支持的美國(guó)新型科研機(jī)構(gòu)Janelia Farm合作進(jìn)行的。
重大成果：自主導(dǎo)航與更可靠的控制
這一項(xiàng)目目前已經(jīng)研發(fā)出幾種獨(dú)特的技術(shù)：他們能夠?qū)⑺械碾娮幼兂梢粋€(gè)個(gè)微小的“背包”，這意味著小昆蟲(chóng)（如蜜蜂和蜻蜓，而不是大甲蟲(chóng)）可以在飛行時(shí)背著它。 尺寸上的縮減是由于對(duì)電池最小化的需要，并能夠通過(guò)太陽(yáng)能電池板收獲能量。此外，它們還裝載有集成的導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在受控環(huán)境之外進(jìn)行完全自主的導(dǎo)航。
另一項(xiàng)主要成果是，Draper的工程師采用了一種更加微妙的方法——通過(guò)光脈沖使用所謂的“光極”來(lái)激活特殊的“操控”類(lèi)神經(jīng)元 。而不是傳統(tǒng)的利用電極刺激來(lái)強(qiáng)制昆蟲(chóng)的完成人類(lèi)的指令。 這些“操控”類(lèi)神經(jīng)元充當(dāng)蜻蜓的傳感器和其肌肉之間的橋梁，這意味著訪問(wèn)它們提供了對(duì)昆蟲(chóng)移動(dòng)方式的更可靠的控制形式。
項(xiàng)目細(xì)節(jié)：過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)
日前，Draper的高級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程師和蜻蜓計(jì)劃的首席研究員Jessie J. Wheeler向記者披露了許多這一研究項(xiàng)目細(xì)節(jié)。
1.為什么要控制昆蟲(chóng)，而不去開(kāi)發(fā)一個(gè)昆蟲(chóng)大小的飛行機(jī)器人？
常見(jiàn)的蜻蜓重約600毫克，并且其活動(dòng)范圍巨大。 而相同尺寸的機(jī)械傳動(dòng)裝置在產(chǎn)生升力、穩(wěn)定飛行和存儲(chǔ)能量方面的效率都要低得多。 這種低效率產(chǎn)生了一大最基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)：機(jī)械傳動(dòng)裝置只能攜帶非常小的動(dòng)力源，這意味著他們只有足夠的動(dòng)力飛行很短的時(shí)間。 相較而言，DragonflEye系統(tǒng)不需要用于飛行的電源，電量?jī)H用于導(dǎo)航。 它可以無(wú)限期運(yùn)行，因?yàn)槔ハx(chóng)自身能夠通過(guò)從自然環(huán)境獲得食物，進(jìn)而自行補(bǔ)充能量。
2.這一項(xiàng)目目前進(jìn)展如何？
為了開(kāi)始對(duì)蜻蜓進(jìn)行指導(dǎo)，需要開(kāi)發(fā)幾種關(guān)鍵技術(shù)。 首先，[HHMI]專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)特定于蜻蜓的基因遞送方法，以使特定的“操控”類(lèi)神經(jīng)元對(duì)光敏感。其次， Draper開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于自主導(dǎo)航的微型背包和一個(gè)靈活的光極，通過(guò)引導(dǎo)圍繞蜻蜓的細(xì)小神經(jīng)線的光來(lái)控制調(diào)整后的神經(jīng)元。
我們的第一代系統(tǒng)基于早期的模型背包，它適用于測(cè)試蜻蜓工效和重量限制。 有了這些新技術(shù)，我們將為蜻蜓裝備背包系統(tǒng)，并開(kāi)始進(jìn)行位置跟蹤、飛行控制和優(yōu)化的光學(xué)刺激。
3.下一步做什么？
在項(xiàng)目的第一年，我們專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)核心的使我們?cè)O(shè)想能夠成真的技術(shù)，如背包，光極和為蜻蜓研發(fā)的一系列合成生物技術(shù)。 第二年，我們準(zhǔn)備在運(yùn)動(dòng)捕捉室將我們的第一代背包裝載在蜻蜓身上，進(jìn)而從導(dǎo)航系統(tǒng)中獲得精確的飛行數(shù)據(jù)。正因此，我們具備了開(kāi)發(fā)精確的自主導(dǎo)航系統(tǒng)和追蹤算法的能力。
接下來(lái)，我們將應(yīng)用來(lái)自背包的光刺激來(lái)觸發(fā)蜻蜓的飛行，而這要求我們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)自主飛行控制。 同時(shí)，我們正在開(kāi)發(fā)我們的第二代背包——它將搭載更多的功能，并顯著減少重量和尺寸。
原文來(lái)自：IEEE
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