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一半昆蟲(chóng)一半機(jī)械，活蜻蜓無(wú)人機(jī)試飛成功，開(kāi)啟半機(jī)械化生物時(shí)代

2017-06-04 07:22 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 來(lái)源：DeepTech深科技
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喜歡科幻電影的朋友都知道，廣義的賽博格（Cyborg）指的就是半生物半機(jī)械。但如今這并非只是科幻，科技已經(jīng)將其變成現(xiàn)實(shí)。一直以來(lái)，仿生學(xué)家都期...

　　喜歡科幻電影的朋友都知道，廣義的賽博格（Cyborg）指的就是半生物半機(jī)械。但如今這并非只是科幻，科技已經(jīng)將其變成現(xiàn)實(shí)。

　　一直以來(lái)，仿生學(xué)家都期望能夠模仿造物主鬼斧神工的生物設(shè)計(jì)和構(gòu)造。雖然科學(xué)家已經(jīng)盡可能地從各個(gè)方面模仿自然界中昆蟲(chóng)的飛行來(lái)制造微型無(wú)人機(jī)，然而目前還沒(méi)有任何機(jī)械仿生無(wú)人機(jī)能夠比得上昆蟲(chóng)本身的飛行效率和機(jī)動(dòng)性。

　　但你見(jiàn)過(guò)半機(jī)械活蜻蜓嗎？科學(xué)家通過(guò)基因編輯技術(shù)，設(shè)計(jì)出一半是昆蟲(chóng)、一半是機(jī)械的活蜻蜓機(jī)器人，而且還試飛成功了。

　　一家位于馬薩諸塞州劍橋市的研發(fā)公司 Draper 就提出來(lái)一種“雙贏”的方法——將科技與生物相結(jié)合，用技術(shù)改造蜻蜓本身，使其獲得可控制及自主導(dǎo)航飛行功能。這家初創(chuàng)公司源自麻省理工學(xué)院。

　　Draper工程師們將微型導(dǎo)航技術(shù)、合成生物技術(shù)以及神經(jīng)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種新型混合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)——可控制的“蜻蜓無(wú)人機(jī)”。這只蜻蜓名為“DragonflEye”，它背了一個(gè)指甲大小的控制“背包”，里面配置了太陽(yáng)能電池、控制器和傳感器，可供操作人員遠(yuǎn)程控制。

　　在全球蜂群銳減的情況下，DragonflEye的微型引導(dǎo) “背包技術(shù)”系統(tǒng)將能夠協(xié)助昆蟲(chóng)進(jìn)行授粉，并且有望通過(guò)檢測(cè)蜂群的飛行模式、遷徙及整體健康狀況等找出其數(shù)量減少的可能原因。

　　舉例而言，蜜蜂作為自然界最重要的授粉昆蟲(chóng)之一，每年為美國(guó)農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)超過(guò) 150 億美元的產(chǎn)值，但其種群密度卻在最近 25 年來(lái)縮減了一半，這其中實(shí)際上存在相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)空間。


圖 | 一比一大小的蜻蜓模型及第一代背包導(dǎo)航系統(tǒng)，包括能量收集、導(dǎo)航及光刺激模塊等

　　與傳統(tǒng)生物機(jī)器人相比，DragonflEye 的獨(dú)特之處在于，它不需要“欺騙”昆蟲(chóng)的感受器或直接控制它的肌肉，而是使用光學(xué)電極來(lái)對(duì)經(jīng)過(guò)基因編輯的昆蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)號(hào)施令。

　　這意味著，蜻蜓可以在保留其原生飛行技能的前提下被操控飛行，而這是其他微型空中機(jī)器人所不具備的。

　　“DragonflEye 代表的是一類全新的微型飛行器，比其他任何人造飛行器都更加微小、輕盈和隱秘?！?Draper公司生物醫(yī)學(xué)工程師兼該項(xiàng)目首席研究員Jesse J. Wheeler稱?！斑@種飛行器將能量收集、運(yùn)動(dòng)感知、算法、微型化以及光遺傳學(xué)（optogenetics）等各種先進(jìn)技術(shù)都集成在一個(gè)昆蟲(chóng)能夠負(fù)載的微型背包系統(tǒng)中?！?

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，之所以選擇蜻蜓而不是別的昆蟲(chóng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，主要是因?yàn)轵唑褤碛兄T多優(yōu)點(diǎn)：

　　· 蜻蜓廣泛存在，取材方便；

　　· 蜻蜓在僅有約 600 毫克的重量下，能實(shí)現(xiàn) 9 倍重力加速度，并且體積小，擅于長(zhǎng)途飛行；

　　· 與機(jī)械飛行機(jī)器人相比，蜻蜓機(jī)器人可以通過(guò)捕食自行補(bǔ)充能量，而控制系統(tǒng)的能源也可以通過(guò)太陽(yáng)能解決，因此在續(xù)航和效率方面更有優(yōu)勢(shì)。


圖 | DragonflEye下一步研發(fā)將集中在增加監(jiān)測(cè)與控制功能及減少控制背包重量方向上

　　DragonflEye 項(xiàng)目是 Draper 公司與霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Institute，HHMI）下屬的新型科研機(jī)構(gòu) Janelia Farm 所屬團(tuán)隊(duì)合作的成果，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型光遺傳學(xué)工具，能夠從微型背包向蜻蜓神經(jīng)系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)向相關(guān)的特定神經(jīng)元發(fā)送“控制命令“。

　　這項(xiàng)由霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Anthony Leonardo 領(lǐng)導(dǎo)的前期研究，進(jìn)一步增強(qiáng)了研究者對(duì)蜻蜓神經(jīng)系統(tǒng)中控制飛行的“轉(zhuǎn)向神經(jīng)元”的深入理解。這些研究者們嘗試?yán)煤铣缮锛夹g(shù)，將具有類似于眼睛感光功能的基因片段嵌入蜻蜓的“轉(zhuǎn)向神經(jīng)元”中，從而使這些神經(jīng)元具有光刺激敏感性。

　　Draper公司的研究者則致力于開(kāi)發(fā)一種稱為“光極”（optrodes）的微型光學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠從微型背包系統(tǒng)發(fā)出光脈沖，進(jìn)入蜻蜓的神經(jīng)索并激活其特定的“轉(zhuǎn)向神經(jīng)元”。

　　傳統(tǒng)光纖過(guò)于堅(jiān)硬，不適于包裹蜻蜓微小而脆弱的神經(jīng)索。所以，Draper公司開(kāi)發(fā)出一種新型柔性“光極”結(jié)構(gòu)，能夠以亞毫米級(jí)精度彎曲光束，從而能夠精準(zhǔn)地定位神經(jīng)激活的靶向位置，并且不會(huì)損壞相鄰的成千上萬(wàn)的神經(jīng)元。

　　“總有一天，這類工具（光極）也會(huì)用于改進(jìn)人類的醫(yī)學(xué)治療，提升療效的同時(shí)副作用更小”，Jesse說(shuō)?！拔覀兊娜嵝怨鈽O技術(shù)提供了一種新的解決思路，使得微型診斷、安全接入微小神經(jīng)目標(biāo)以及高精準(zhǔn)藥物遞送等成為可能。”

　　這種“蜻蜓無(wú)人機(jī)”目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了試飛，但從嚴(yán)格意義上講，其實(shí)是蜻蜓本身的自主飛行。但 Draper 公司在各相關(guān)領(lǐng)域完善的技術(shù)解決方案，則是制造這種神奇的生物機(jī)器人的關(guān)鍵所在。

　　以下是該公司的部分技術(shù)解決方案：

　　定位、導(dǎo)航及授時(shí)（PN&T）：通過(guò)精密硬件技術(shù)、全面的算法及軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，以及獨(dú)特的基礎(chǔ)架構(gòu)等，開(kāi)發(fā)并提供新型PN&T系統(tǒng)解決方案，來(lái)解決引導(dǎo)、導(dǎo)航和控制問(wèn)題。包括從高精準(zhǔn)的洲際、潛射彈道導(dǎo)彈的慣性解決方案，到炮射彈藥的集成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，再到GPS不適用的苛刻環(huán)境下士兵導(dǎo)航等解決方案。

　　自主系統(tǒng)：通過(guò)綜合其任務(wù)規(guī)劃、PN&T、情境感知等技術(shù)，開(kāi)發(fā)和部署用于海、陸、空以及水下需求的自主系統(tǒng)。這些自主系統(tǒng)依復(fù)雜度不同分為涉及人類干預(yù)的系統(tǒng)和沒(méi)有人類干預(yù)的完全自主系統(tǒng)。

　　微系統(tǒng)：通過(guò)定制封裝與互連技術(shù)相結(jié)合，將超高集成密度（iUHD）的異構(gòu)組件模塊使得系統(tǒng)在保證功能性的同時(shí)，尺寸足夠微小。


圖丨蜻蜓背包導(dǎo)航系統(tǒng)的各個(gè)組件

　　生物醫(yī)學(xué)解決方案：Draper公司的生物醫(yī)學(xué)方案解決能力主要集中在微系統(tǒng)、微電子、計(jì)算建模、算法開(kāi)發(fā)以及圖像和數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用上，主要涉及生物醫(yī)療及相關(guān)領(lǐng)域。具體包括應(yīng)用于可穿戴或可植入的醫(yī)療裝置、器官輔助裝置以及藥物遞送系統(tǒng)等的MEMS、微流控以及納米結(jié)構(gòu)技術(shù)等。

　　材料工程及微加工：Draper公司在宏觀、微觀及納觀尺度范圍設(shè)計(jì)、表征及加工不同材料的專業(yè)技能。在多尺度范圍理解材料的物理性質(zhì)及行為，對(duì)于成功利用其設(shè)計(jì)組件或系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

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