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一半昆虫,一半机械,活蜻蜓无人机试飞成功

2017-06-03 11:40 作者:

摘要:Draper公司的研究者则致力于开发一种称为“光极”(optrodes)的微型光学结构,能够从微型背包系统发出光脉冲,进入蜻蜓的神经索并激活其特定的“转向神经元”。

喜欢科幻电影的朋友都知道,广义的赛博格(Cyborg)指的就是半生物半机械。但如今这并非只是科幻,科技已经将其变成现实

一直以来,仿生学家都期望能够模仿造物主鬼斧神工的生物设计和构造。虽然科学家已经尽可能地从各个方面模仿自然界中昆虫的飞行来制造微型无人机,然而目前还没有任何机械仿生无人机能够比得上昆虫本身的飞行效率和机动性。

但你见过半机械活蜻蜓吗?科学家通过基因编辑技术,设计出一半是昆虫、一半是机械的活蜻蜓机器人,而且还试飞成功了。

一家位于马萨诸塞州剑桥市的研发公司 Draper 就提出来一种“双赢”的方法——将科技与生物相结合,用技术改造蜻蜓本身,使其获得可控制及自主导航飞行功能。这家初创公司源自麻省理工学院。

Draper工程师们将微型导航技术、合成生物技术以及神经科学技术相结合,开发出一种新型混合无人机系统——可控制的“蜻蜓无人机”。这只蜻蜓名为“DragonflEye”,它背了一个指甲大小的控制“背包”,里面配置了太阳能电池、控制器和传感器,可供操作人员远程控制。

在全球蜂群锐减的情况下,DragonflEye的微型引导 “背包技术”系统将能够协助昆虫进行授粉,并且有望通过检测蜂群的飞行模式、迁徙及整体健康状况等找出其数量减少的可能原因。

举例而言,蜜蜂作为自然界最重要的授粉昆虫之一,每年为美国农业贡献超过 150 亿美元的产值,但其种群密度却在最近 25 年来缩减了一半,这其中实际上存在相当的市场空间。

图 | 一比一大小的蜻蜓模型及第一代背包导航系统,包括能量收集、导航及光刺激模块等

与传统生物机器人相比,DragonflEye 的独特之处在于,它不需要“欺骗”昆虫的感受器或直接控制它的肌肉,而是使用光学电极来对经过基因编辑的昆虫神经系统发号施令。

这意味着,蜻蜓可以在保留其原生飞行技能的前提下被操控飞行,而这是其他微型空中机器人所不具备的。

“DragonflEye 代表的是一类全新的微型飞行器,比其他任何人造飞行器都更加微小、轻盈和隐秘。” Draper公司生物医学工程师兼该项目首席研究员Jesse J. Wheeler称。“这种飞行器将能量收集、运动感知、算法、微型化以及光遗传学(optogenetics)等各种先进技术都集成在一个昆虫能够负载的微型背包系统中。”

研究团队表示,之所以选择蜻蜓而不是别的昆虫作为实验对象,主要是因为蜻蜓拥有诸多优点:

· 蜻蜓广泛存在,取材方便;

· 蜻蜓在仅有约 600 毫克的重量下,能实现 9 倍重力加速度,并且体积小,擅于长途飞行;

· 与机械飞行机器人相比,蜻蜓机器人可以通过捕食自行补充能量,而控制系统的能源也可以通过太阳能解决,因此在续航和效率方面更有优势。

图 | DragonflEye下一步研发将集中在增加监测与控制功能及减少控制背包重量方向上

DragonflEye 项目是 Draper 公司与霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute,HHMI)下属的新型科研机构 Janelia Farm  所属团队合作的成果,该团队开发出一种新型光遗传学工具,能够从微型背包向蜻蜓神经系统中与转向相关的特定神经元发送“控制命令“。

这项由霍华德·休斯医学研究所研究员 Anthony Leonardo 领导的前期研究,进一步增强了研究者对蜻蜓神经系统中控制飞行的“转向神经元”的深入理解。这些研究者们尝试利用合成生物技术,将具有类似于眼睛感光功能的基因片段嵌入蜻蜓的“转向神经元”中,从而使这些神经元具有光刺激敏感性。

Draper公司的研究者则致力于开发一种称为“光极”(optrodes)的微型光学结构,能够从微型背包系统发出光脉冲,进入蜻蜓的神经索并激活其特定的“转向神经元”。

传统光纤过于坚硬,不适于包裹蜻蜓微小而脆弱的神经索。所以,Draper公司开发出一种新型柔性“光极”结构,能够以亚毫米级精度弯曲光束,从而能够精准地定位神经激活的靶向位置,并且不会损坏相邻的成千上万的神经元。

“总有一天,这类工具(光极)也会用于改进人类的医学治疗,提升疗效的同时副作用更小”,Jesse说。“我们的柔性光极技术提供了一种新的解决思路,使得微型诊断、安全接入微小神经目标以及高精准药物递送等成为可能。”

这种“蜻蜓无人机”目前已经成功实现了试飞,但从严格意义上讲,其实是蜻蜓本身的自主飞行。但 Draper 公司在各相关领域完善的技术解决方案,则是制造这种神奇的生物机器人的关键所在。

以下是该公司的部分技术解决方案:

定位、导航及授时(PN&T):通过精密硬件技术、全面的算法及软件开发技术,以及独特的基础架构等,开发并提供新型PN&T系统解决方案,来解决引导、导航和控制问题。包括从高精准的洲际、潜射弹道导弹的惯性解决方案,到炮射弹药的集成惯性导航系统,再到GPS不适用的苛刻环境下士兵导航等解决方案。

自主系统:通过综合其任务规划、PN&T、情境感知等技术,开发和部署用于海、陆、空以及水下需求的自主系统。这些自主系统依复杂度不同分为涉及人类干预的系统和没有人类干预的完全自主系统。

微系统:通过定制封装与互连技术相结合,将超高集成密度(iUHD)的异构组件模块使得系统在保证功能性的同时,尺寸足够微小。

图丨蜻蜓背包导航系统的各个组件

生物医学解决方案:Draper公司的生物医学方案解决能力主要集中在微系统、微电子、计算建模、算法开发以及图像和数据分析等应用上,主要涉及生物医疗及相关领域。具体包括应用于可穿戴或可植入的医疗装置、器官辅助装置以及药物递送系统等的MEMS、微流控以及纳米结构技术等。

材料工程及微加工:Draper公司在宏观、微观及纳观尺度范围设计、表征及加工不同材料的专业技能。在多尺度范围理解材料的物理性质及行为,对于成功利用其设计组件或系统是至关重要的。

责任编辑:超管黄师兄

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