Экспериментальная проверка управления полётом медоносной пчелы с помощью электрической стимуляции
Учёные из Пекинского технологического института экспериментально подтвердили возможность управления поворотом у медоносной пчелы путём электрической стимуляции её односторонней зрительной доли.
Новое исследование, опубликованное 21 июля в журнале Cyborg and Bionic Systems, подтвердило эффективность односторонней электрической стимуляции зрительной доли для управления направлением движения пчёл и определило параметры управления с наивысшим процентом успеха.
Киборг-насекомое как новая область включает насекомое-носитель и модуль ручного управления, позволяя предустанавливать его поведение за счёт воздействия на движение. По сравнению с микро-летательными аппаратами, киборг-насекомые демонстрируют превосходство в маскировке, адаптации к неструктурированной среде, низком энергопотреблении и богатых сенсорных системах, унаследованных от насекомых. «Помимо применимости в военной разведке, киборг-насекомые имеют несравненный потенциал в защите биоразнообразия», — заявил автор работы, профессор Цзелян Чжао.
«Высокоэффективная и надёжная стратегия управления движением — обязательное условие для выполнения киборг-насекомыми заданий», — пояснили авторы.
Существующие стратегии управления полётом насекомых классифицируются по месту стимуляции: стимуляция летательных мышц, сенсорных органов или нейронов. «Метод нейронной электрической стимуляции имеет преимущество низкого энергопотребления и является основной стратегией управления для насекомых с асинхронными летательными мышцами, таких как пчёлы. Однако эффект такой стимуляции на управление поворотным поведением пчёл до конца не был проверен», — сказал Чжао.
В опубликованной работе были оптимизированы параметры импульсных электрических сигналов для управления поворотом в полёте на основе стимуляции односторонней зрительной доли. Эффективность вызываемого поворота была визуализирована через вращающий момент с помощью системы магнитной левитации. Стимуляция односторонней зрительной доли подтвердила свою способность управлять поворотом пчёл в различных состояниях движения.
Авторы изучили эффективные поведенческие реакции пчелы на стимуляцию, а также влияние скважности и частоты электрического сигнала на успешность поворотного ответа. В результате оптимизации был достигнут средний уровень успеха управления поворотом у обездвиженных пчёл в 87%. Также было подтверждено, что стимуляция эффективна для управления поворотным поведением пчёл в состоянии ползания, с успешностью в 50%.
В будущем команда планирует повысить успешность управления движением пчелы и добиться точного регулирования различных параметров locomotion. «Другая серьёзная проблема в разработке киборг-пчелы — ограниченная грузоподъёмность, которая лимитирует размер и вес искусственного модуля стимуляции», — отметили авторы. Поэтому они сосредоточатся на создании беспроводного модуля регулирования движения, более соответствующего характеристикам нагрузки пчелы.
«Мелкие насекомые, такие как пчёлы, являются более идеальными носителями для киборгизации», — пояснил Чжао, отметив их более высокую скрытность и подвижность по сравнению с крупными насекомыми. «Фактически, пчёлы могут развивать скорость полёта 20–40 км/ч, что эквивалентно скорости автобуса. Как носители, они лучше соответствуют требованиям военной разведки». Его работа подтвердила перспективную применимость электрической стимуляции односторонней зрительной доли для управления поворотом и предоставила надёжные контрольные параметры для искусственного регулирования полёта пчелы, способствуя развитию исследований в этой области.
Статья «Experimental Verification on Steering Flight of Honeybee by Electrical Stimulation» была опубликована в журнале Cyborg and Bionic Systems 21 июля 2022 года.