智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 元琛
導(dǎo)語：通過光感應(yīng)、生物遺傳、神經(jīng)控制等硬件科技與合成生物技術(shù)，一個名為DragonflEye的項目在昆蟲無人機領(lǐng)域獲得了重大進展。它們摒棄了制造純機械昆蟲無人機的做法，將生物與科技結(jié)合，成功實現(xiàn)了對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一般無處不在的、擁有多方面能力的機器人昆蟲是一件十分困難的事情。這也必將耗費極為漫長的時間。 因此，現(xiàn)在我們依靠一種控制論的方法獲得真正的昆蟲來進行替代性試驗，希望使之聽從人類的命令。 在過去幾年里，研究人員已經(jīng)設(shè)法使用電動植入物來引導(dǎo)大型昆蟲。
現(xiàn)在位于馬薩諸塞州劍橋市的研發(fā)公司Draper的工程師希望通過創(chuàng)建一個結(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”來克服這些限制。為了引導(dǎo)蜻蜓，Draper的工程師正在開發(fā)一種方法來通過遺傳對昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)進行調(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行監(jiān)視，甚至幫助蜜蜂成為更好的傳粉者。
DragonflEye項目是由研發(fā)公司Draper和Howard Hughes醫(yī)學(xué)院（HHMI）支持的美國新型科研機構(gòu)Janelia Farm合作進行的。
重大成果：自主導(dǎo)航與更可靠的控制
這一項目目前已經(jīng)研發(fā)出幾種獨特的技術(shù)：他們能夠?qū)⑺械碾娮幼兂梢粋€個微小的“背包”，這意味著小昆蟲（如蜜蜂和蜻蜓，而不是大甲蟲）可以在飛行時背著它。 尺寸上的縮減是由于對電池最小化的需要，并能夠通過太陽能電池板收獲能量。此外，它們還裝載有集成的導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在受控環(huán)境之外進行完全自主的導(dǎo)航。
另一項主要成果是，Draper的工程師采用了一種更加微妙的方法——通過光脈沖使用所謂的“光極”來激活特殊的“操控”類神經(jīng)元 。而不是傳統(tǒng)的利用電極刺激來強制昆蟲的完成人類的指令。 這些“操控”類神經(jīng)元充當(dāng)蜻蜓的傳感器和其肌肉之間的橋梁，這意味著訪問它們提供了對昆蟲移動方式的更可靠的控制形式。
項目細(xì)節(jié)：過去、現(xiàn)在與未來
日前，Draper的高級生物醫(yī)學(xué)工程師和蜻蜓計劃的首席研究員Jessie J. Wheeler向記者披露了許多這一研究項目細(xì)節(jié)。
1.為什么要控制昆蟲，而不去開發(fā)一個昆蟲大小的飛行機器人？
常見的蜻蜓重約600毫克，并且其活動范圍巨大。 而相同尺寸的機械傳動裝置在產(chǎn)生升力、穩(wěn)定飛行和存儲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)：機械傳動裝置只能攜帶非常小的動力源，這意味著他們只有足夠的動力飛行很短的時間。 相較而言，DragonflEye系統(tǒng)不需要用于飛行的電源，電量僅用于導(dǎo)航。 它可以無限期運行，因為昆蟲自身能夠通過從自然環(huán)境獲得食物，進而自行補充能量。
2.這一項目目前進展如何？
為了開始對蜻蜓進行指導(dǎo)，需要開發(fā)幾種關(guān)鍵技術(shù)。 首先，[HHMI]專注于開發(fā)特定于蜻蜓的基因遞送方法，以使特定的“操控”類神經(jīng)元對光敏感。其次， Draper開發(fā)了一個用于自主導(dǎo)航的微型背包和一個靈活的光極，通過引導(dǎo)圍繞蜻蜓的細(xì)小神經(jīng)線的光來控制調(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)，并開始進行位置跟蹤、飛行控制和優(yōu)化的光學(xué)刺激。
3.下一步做什么？
在項目的第一年，我們專注于開發(fā)核心的使我們設(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)備在運動捕捉室將我們的第一代背包裝載在蜻蜓身上，進而從導(dǎo)航系統(tǒng)中獲得精確的飛行數(shù)據(jù)。正因此，我們具備了開發(fā)精確的自主導(dǎo)航系統(tǒng)和追蹤算法的能力。
接下來，我們將應(yīng)用來自背包的光刺激來觸發(fā)蜻蜓的飛行，而這要求我們進一步開發(fā)自主飛行控制。 同時，我們正在開發(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。
原文來自：IEEE
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