Блоги Блоги 05.02.2020 в 17:11 comment

Американские ученые превратили медуз в киборгов

author avatar
https://secure.gravatar.com/avatar/341ba260d57a6855744e3c0760decc30?s=96&r=g&d=https://itc.ua/wp-content/uploads/2023/06/no-avatar.png *** https://secure.gravatar.com/avatar/341ba260d57a6855744e3c0760decc30?s=96&r=g&d=https://itc.ua/wp-content/uploads/2023/06/no-avatar.png *** https://itc.ua/wp-content/themes/ITC_6.0/images/no-avatar.svg

Американские инженеры создали медуз-киборгов с вживленными электродами для стимуляции мышц. Эксперименты показали, что электростимуляция позволяет увеличить скорость движения данных животных в 2,8 раза по сравнению с обычным режимом плавания. Статья опубликована в Science Advances.

Отметим, что успешные виды в процессе эволюции отлично приспосабливаются к среде обитания и вырабатывают эффективные методы передвижения, которые инженеры сегодня нередко пытаются воспроизвести в роботах с помощью искусственных актуаторов, но пока даже передовые разработки наподобие летающих микророботов значительно уступают существам-прообразам. Есть и другой подход — использовать различные методы управления живыми существами с высокой эффективностью. Например, существуют успешные опыты по электрической и оптической стимуляции мышц летающих насекомых, таких как жуки и стрекозы.

Ученые из Стэнфордского университета решили использовать этот подход для создания плавающего животного-киборга. В качестве модельного организма они взяли медузу вида ушастых аурелий (Aurelia aurita). Авторы отмечают, что у этого организма нет центральной нервной системы и ноцицепторов, поэтому эксперименты не причиняют ему страданий, а кроме того, единственной известной реакцией на стресс у этих медуз является выделение слизи, и во время исследования каких-либо выделений обнаружено не было. Вдобавок, наблюдения, проведенные по прошествии исследования, показали, что участвовавшие в экспериментах животные, освобожденные от дополнительного оборудования, впоследствии вернулись к своему привычному образу передвижения.

Product Management in IT.
Пройдіть повний цикл створення продукту — від генерації та валідації продуктової проблеми до аналізу користувачів, метрик і створення завдань для розробників.
Інформація про курс

Несмотря на то, что реакция сокращения мышц у ушастых аурелий в ответ на электростимуляцию известна уже давно, конкретные взаимоотношения между параметрами стимуляции и частотой сокращений у этого вида ранее не исследовались, поэтому в рамках своего изыскания инженеры провели серию экспериментов для поиска оптимальных параметров. В результате они выбрали импульсы продолжительностью 10 миллисекунд при напряжении 3,7 вольт и частоте от 0,25 до 1 герц.

Для создания импульсов исследователи использовали небольшой самодельный стимулятор с микропроцессором и аккумулятором, внедренный в манумбриум медузы, и две пары электродов, вживленные в эктодерму животного с разных сторон. Помимо функциональных элементов, стимулятор, имеющий в диаметре около двух сантиметров, также состоит из пробки и набора шайб для создания нейтральной плавучести.

Американские ученые превратили медуз в киборгов
Медуза с вживленным электростимулятором.

Изначально после внедрения стимулятора инженеры провели эксперименты без подачи напряжения и выяснили, что само по себе вживление устройства статистически незначительно влияет на частоту мышечных сокращений медуз (0,16 герц без стимулятора и 0,18 с ним). После этого они проверили возможность вынужденных сокращений. Оказалось, что при импульсах с 0,25 до 1,2 герц медузы реагировали на стимуляцию сокращениями мышц такой же частоты, однако при повышении частоты импульсов ответная реакция начинала становиться менее регулярной и после 1,5 герц ни одна медуза не могла корректно реагировать на стимуляцию.

На последнем этапе исследователи изучили возможные скорости и эффективность плавания медуз с работающим стимулятором. Замеры с помощью камеры и ярких маркеров на медузах показали, что максимальное увеличение скорости по сравнению с нормальной составляет 2,8 раза и достигается при частоте импульсов 0,62 герц: при такой частоте медуза двигается с относительной скоростью 0,43 диаметра тела (то есть до 6 см в секунду; обычная скорость передвижения ушастых аурелий — 2 см в секунду).

Для измерения эффективности методики авторы собрали герметичный аквариум с датчиком кислорода на краю и еще одним, расположенным внутри купола медузы. Благодаря этому по изменению концентрации кислорода они смогли выяснить метаболические затраты на передвижение. Оказалось, что при частотах 0,25 и 0,5 герц затраты на движение возрастают вдвое по сравнению с нормальными затратами медуз этого вида. Авторы делают вывод, что стимулятор позволяет повысить скорость движения в 2,8 раза при увеличении метаболических затрат в 2 раза, что делает такое плавание весьма эффективным. Для сравнения, аналогичный робот потреблял бы в 1000 раз больше энергии, чем «ускоренная» медуза.

«В принципе, медузы вполне способны двигаться с повышенной скоростью и без какой-либо внешней стимуляции. Причина, по которой эти животные не пользуются данным умением, — при движении с более высокой скоростью снижается эффективность их охоты. То есть у медуз попросту нет причин двигаться быстро», — указывают исследователи.

График с относительной скоростью движения медузы при разной частоте импульсов, а также график, на котором отображены метаболический затраты на движение при разной частоте импульсов.

В настоящее время стимулятор способен лишь заставлять медузу двигаться и контролировать темп ее передвижения, в дальнейшем инженеры планируют доработать устройство, наделив его способностью выбирать направление движения животного, а также сделав оборудование еще компактнее.

Исследователи надеются, что их изыскание станет первым шагом в разработке методики превращения медуз — весьма распространенных животных, которых можно повстречать плавающими и на поверхности воды, и на внушительных глубинах во многих точках мирового океана — в полноценных киборгов, которых затем можно будет задействовать в качестве относительно недорогих в создании автономных либо дистанционно управляемых живых «аппаратов», несущих на себе разного рода сенсоры и при этом продолжающих добывать все необходимые питательные вещества и энергию традиционным образом — посредством охоты, для изучения океанов.

Американские ученые превратили медуз в киборговИсточник: N+1

Продолжается конкурс авторов ИТС. Напиши статью о развитии игр, гейминг и игровые девайсы и выигрывай профессиональный игровой руль Logitech G923 Racing Wheel, или одну из низкопрофильных игровых клавиатур Logitech G815 LIGHTSYNC RGB Mechanical Gaming Keyboard!


Loading comments...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: