融合生物與科技 新一代昆蟲無人機成型

編 | 元琛

導語：通過光感應、生物遺傳、神經控制等硬體科技與合成生物技術，一個名為DragonflEye的項目在昆蟲無人機領域獲得了重大進展。它們摒棄了製造純機械昆蟲無人機的做法，將生物與科技結合，成功實現了對蜻蜓更可靠的控制與自主導航飛行。

隨著研究的不斷深入，科學家普遍認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。 在過去幾年裡，研究人員已經設法使用電動植入物來引導大型昆蟲。

現在位於馬薩諸塞州劍橋市的研發公司Draper的工程師希望通過創建一個結合了「微型導航、合成生物技術和神經技術」的「可控制蜻蜓」來克服這些限制。為了引導蜻蜓，Draper的工程師正在開發一種方法來通過遺傳對昆蟲的神經系統進行調整，使它們可以響應光脈衝。 一旦他們獲得成功，這種被稱為光遺傳學刺激的方法便能夠使蜻蜓攜帶有效載荷或進行監視，甚至幫助蜜蜂成為更好的傳粉者。

DragonflEye項目是由研發公司Draper和Howard Hughes醫學院（HHMI）支持的美國新型科研機構Janelia Farm合作進行的。

重大成果：自主導航與更可靠的控制

這一項目目前已經研發出幾種獨特的技術：他們能夠將所有的電子變成一個個微小的「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。 尺寸上的縮減是由於對電池最小化的需要，並能夠通過太陽能電池板收穫能量。此外，它們還裝載有集成的導航系統，能夠在受控環境之外進行完全自主的導航。

另一項主要成果是，Draper的工程師採用了一種更加微妙的方法——通過光脈衝使用所謂的「光極」來激活特殊的「操控」類神經元 。而不是傳統的利用電極刺激來強制昆蟲的完成人類的指令。 這些「操控」類神經元充當蜻蜓的感測器和其肌肉之間的橋樑，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。

項目細節：過去、現在與未來

日前，Draper的高級生物醫學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節。

1.為什麼要控制昆蟲，而不去開發一個昆蟲大小的飛行機器人？

常見的蜻蜓重約600毫克，並且其活動範圍巨大。 而相同尺寸的機械傳動裝置在產生升力、穩定飛行和存儲能量方面的效率都要低得多。 這種低效率產生了一大最基礎的挑戰：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系統不需要用于飛行的電源，電量僅用於導航。 它可以無限期運行，因為昆蟲自身能夠通過從自然環境獲得食物，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，需要開發幾種關鍵技術。 首先，[HHMI]專註於開發特定於蜻蜓的基因遞送方法，以使特定的「操控」類神經元對光敏感。其次， Draper開發了一個用於自主導航的微型背包和一個靈活的光極，通過引導圍繞蜻蜓的細小神經線的光來控制調整後的神經元。

我們的第一代系統基於早期的模型背包，它適用於測試蜻蜓工效和重量限制。 有了這些新技術，我們將為蜻蜓裝備背包系統，並開始進行位置跟蹤、飛行控制和優化的光學刺激。

3.下一步做什麼？

在項目的第一年，我們專註於開發核心的使我們設想能夠成真的技術，如背包，光極和為蜻蜓研發的一系列合成生物技術。 第二年，我們準備在運動捕捉室將我們的第一代背包裝載在蜻蜓身上，進而從導航系統中獲得精確的飛行數據。正因此，我們具備了開發精確的自主導航系統和追蹤演算法的能力。

接下來，我們將應用來自背包的光刺激來觸發蜻蜓的飛行，而這要求我們進一步開發自主飛行控制。 同時，我們正在開發我們的第二代背包——它將搭載更多的功能，並顯著減少重量和尺寸。

原文來自：IEEE