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打破常规!中国团队打造的蜜蜂“侦察兵”如何实现转向飞行?

大数据文摘 | 普及数据思维,弘扬数据文化 2022/08/10 09:53

新知达人, 打破常规!中国团队打造的蜜蜂“侦察兵”如何实现转向飞行?

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂

微型飞行器 可以称得上是神秘的“侦察兵”,它在现代化军事作战应用中发挥着不可或缺的作用,如 跟踪、侦察和中继通信。

近年来,微型飞行器受到了世界各国科研机构及战略武器研发部门相当大的关注,其概念也由基于仿生设计的人造微型飞行器扩展到了 由人工刺激模块控制运动的半机械昆虫。前不久,来自北理工、清华大学,中国农业科学院蜜蜂研究所的研发团队联合攻关了基于视觉电生理响应的蜜蜂飞行调控技术,开发了调控真实蜜蜂飞行行为的电生理控制技术,实验验证了通过脑机接口施加电刺激来调控蜜蜂转向飞行的有效性。 该项研究以论文形式发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Cyborg and Bionic Systems》上。

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蜜蜂飞行转向验证实验台的原理

高效可靠的运动控制策略 是保证半机械昆虫 完成预设运动轨迹和运动分配 的前提,为了验证微型电子背包 诱导蜜蜂转向 的有效性,研发团队设计了一个 磁悬浮实验系统。

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图2:蜜蜂转向飞行控制及转向力矩实验验证系统。(a)刺激电极植入位置(b) 电极植入前蜜蜂头部固定方法(c)模拟转向力矩的磁悬浮实验验证系统

那么研发团队是如何实现的呢?

首先,本项研究中研发人员选用了 意大利蜜蜂 作为实验控制对象。刺激实验采用了 钨丝电极用于脑区植入与运动刺激。 植入前,将蜜蜂放入低温环境下冷冻麻醉,随后将其固定在3D打印的丙烯酸支架上。蜜蜂的头颈部通过两个刀片的半圆形孔进行限位约束。

随后,研发人员将刺激电极植入蜜蜂脑区视髓质区域。 后续研究人员通过蜜蜂振翅过程中的脑电信号规律采集及外部刺激实验,验证了单侧视叶电刺激下,脉冲刺激信号的占空比与频率对于蜜蜂转向响应成功率的影响,确定了蜜蜂转向飞行激励的最优参数。

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图3 蜜蜂在不同占空比电刺激下的有效转向响应和成功率

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图4 蜜蜂在不同频率电刺激下的有效转向响应和成功率

由于刺激参数优化实验中所测试的蜜蜂处于固定状态,因此在当前的运动控制策略下,蜜蜂是否能产生转向飞行所必需的转向力矩尚不确定。

为了进一步研究转向控制策略的有效性,团队通过 磁悬浮实验系统来可视化蜜蜂产生的转向力矩。 研究人员利用转向刺激后蜜蜂产生的用于改变身体姿态的扭矩,来驱动磁浮台悬架的旋转。团队通过 磁悬浮实验系统将蜜蜂的转向转矩转化为可见的悬架旋转, 从而验证了 转向启动的有效性。

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图5通过磁悬浮实验系统验证转向力矩

为了检验电刺激参数对 爬行状态下 蜜蜂 转向行为的控制效果, 研发人员对蜜蜂在爬行状态下的蜜蜂 单侧视叶进行电刺激, 以进一步验证转向控制的效果。研究表明, 电刺激单侧视叶能够触发蜜蜂爬行转向行为,其启动左转向和右转向的平均成功率分别为 54%和46%。

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图6 控制蜜蜂的爬行转向运动

未来潜力有多大?

该研究表明, 基于单侧脑部视叶区电刺激的蜜蜂转向运动控制技术已经可以实现对蜜蜂的转向行为进行控制。

自然界中生存的动物种类繁多,其结构和运动模式更是十分精巧和神奇。正如本研究中所涉及的群居性昆虫——蜜蜂。虽然其体型很小,但是它们要完成悬停、俯冲、爬升等动作却是轻而易举的,其中巧妙的结构与能量利用方式功不可没,这也正是当前人造微型飞行器所无法企及的。

半机械昆虫由于继承了昆虫载体的传感器官和运动能力,弥补了人造微型飞行器在感知、运动以及能源补给等方面的诸多不足,拓展了微型飞行机器人的概念和应用前景。除了军事应用外,半机械昆虫在生物多样性保护方面也具有不可比拟的应用潜力。

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