14 ноября, 00:00

Создание сверхминиатюрных дистанционно управляемых гибридных биороботов на основе интеграции моторики насекомых и искусственных сенсорно-информационных микросистем

Создание сверхминиатюрных дистанционно управляемых гибридных биороботов на основе интеграции моторики насекомых и искусственных сенсорно-информационных микросистем

Князев Александр Николаевич,
кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией
сравнительной физиологии сенсорных систем Института
эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН
ank50@mail.ru

Лучинин Виктор Викторович,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
микро и наноэлектроники Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета

 

Аннотация

  В настоящее время в мире стала активно спонсироваться и стремительно развиваться микроробототехника. Интенсивные разработки в этой области проводятся в США, Франции, Германии, Нидерландах, Израиле и других странах. Области применения микророботов очень разнообразны. С их помощью можно проводить как прикладные, так и фундаментальные исследования, например, исследования механизмов управления поведением животных. Они могут быть военного, специального и двойного назначения. Их выпускают как товары массового потребления, например, в виде игрушек. Известно два основных направления развития микроробототехники. Первое основано на достижениях бионики и предполагает создание искусственных микророботов. Второе связано с созданием гибридных роботов, в которых соединяются искусственные сенсорно-информационные (ИСИ) и биологические системы. Перспективные разработки в области создания сверхминиатюрных дистанционно управляемых гибридных биороботов могут быть основаны на интеграции моторики насекомых и ИСИ микросистем.

Annotation

   Nowadays actively sponsored microrobotics is rapidly developing in the world. Intensive research in this field is carried out in USA, France, Germany, Netherlands, Israel and other countries. Areas of using microbots are very diverse. With their aid both applied and fundamental investigations can be conducted, for instance, studies ofthe mechanisms of control of animal behavior. They may be of military, special and double purpose. They are produced as large-scale goods, for instance, as toys. Two main directions of development in microrobotics are known. The first one is based on achievements of bionics and assumes manufacturing artificial microbots. The second one is connected with building hybrid robots combining artificial sensory-informational (ASI) and biological systems. Promising developments in the field of constructing ultra¬miniature remotely-controlled hybrid biorobots can be based on integration of insect motor activity and ASI microsystems.

Введение в проблематику

    Многие поколения ученых мечтали решить проблему управления поведением животных. Для этого они использовали достижения фармакологии, психиатрии (например, гипноз), электрофизиологии вживляли электроды в определенные области мозга млекопитающих, например, в центры удовольствия) и т.п. До сих пор такое желание сохранилось, однако решение этой задачи сталкивалось и сталкивается со значительными трудностями.

  В первом десятилетии 21 века в мире стала активно спонсироваться и стремительно развиваться микро-робототехника. Области ее применения очень разнообразны. С их помощью можно проводить как прикладные, так и фундаментальные исследования, например, исследования механизмов управления поведением животных. Они могут быть военного, специального и двойного назначения. Их выпускают как товары массового потребления, например, в виде игрушек (американская компания Backyards Brains).

  Известно два основных направления развития микро-робототехники. Первое основано на достижениях бионики. Цель - создание искусственных миниатюрных роботов (2007 г., идея - электронные насекомые), обладающих уникальными свойствами биологических объектов. Второе направление развития микро-робототехники связано с созданием гибридных биороботов. В них пробуют соединять искусственные миниатюрные сенсорно-информационные (ИСИ) и естественные биологические системы. В качестве естественных систем используют либо элементы живых организмов (культура нервных клеток, антенны [хемосенсоры], а также мозг и глаза бабочки и т.п.), либо целый дееспособный живой организм (например, жук, бабочка, пчела, таракан и т.п.). В первом случае деятельность ИСИ микроситемы управляется «живым биофрагментом», а во втором - ИСИ микросистема модулирует направленное поведение целого нормального животного.

  Для создания сверхминиатюрных дистанционно управляемых гибридных биороботов необходимо решить три задачи - разработать и изготовить ИСИ микросистему, найти, изучить и научиться культивировать адекватный биологический объект, разработать метод и изготовить систему интеграции микросистемы и живого объекта.

     О перспективности и стратегической важности данного направления говорит то, что разработки в этой области интенсивно развиваются в США, Франции, Нидерландах, Израиле, Германии и других странах [1-5].

Искусственные составляющие гибридного робота

  Разработка и изготовление ИСИ микросистемы Важнейшей искусственной составляющей биоробота являются миниатюрные сенсорно-информационные системы. Следует подчеркнуть, что особое место в современной инновационной системе трансфера знаний и технологий, безусловно, занимает такое динамично развивающееся научно-техническое направление как гибкая электроника и фотоника, которое наиболее часто ассоциируется с комплексом понятий: гибкость и (или) трехмерность субстрата, гетерогенность или конвергентность, адаптивность и биосовместимость реализуемых композиций (рис. 1).

Рис. 1 - Базовые тенденции развития современной микро и нанотехники.

   Целью данной части работы является демонстрация возможности быстрого прототипирования сложного интегрированного изделия микротехники, включающего сенсорный и исполнительный, микропро-цессорный модули, блок энергообеспечения и радиоканал. Базовыми критериями эффективности разработки являлись, наряду с заданными функциональными характеристиками, такие параметры как массогабаритные параметры и время реализации разработки.

    Экспресс-прототипирование многофункционального сенсорно-исполнительного микроустройства с радиоканалом

   В Центре микротехнологии и диагностики (ЦМИД) СПбГЭТУ изготовлен макет сенсорного модуля с применением гибкой печатной платы (рис. 2) на основе полиимида. Минимальная площадь печатной платы была достигнута за счет применения многослойной структуры, при этом отдельные слои использовались для трассировки общей шины (с разделением между цифровыми и аналоговыми цепями) и цепей питания.

  

Рис. 2 - Внешний вид печатной платы (ЗБ-модель).

Для достижения минимальных габаритов и массы микромодулей, с сохранением их функциональной насыщенности представляется целесообразным изготовление под заказ большой интегральной микросхемы (БИС), которая объединила бы отдельные компоненты микромодуля, как пассивные, так и активные.

Разработка подобной БИС включала в себя следующие этапы:

• анализ функциональной схемы разрабатываемого устройства;
• выделение блоков схемы, которые могут быть реализованы в составе заказной микросхемы, анализ требований к ним:
точностные характеристики для аналоговых узлов; временные характеристики для цифровых частей; напряжения питания и токи потребления; диапазоны напряжений и токов входных и выходных
сигналов;
• анализ доступных технологий изготовления БИС:
достижимые характеристики для аналоговых и цифровых частей;
наличие доступных аналоговых и цифровых IP блоков; первичная оценка стоимости разработки (трудозатраты, число масок техпроцесса, площадь кристалла, число выводов БИС);
• корректировка функциональной схемы разрабатываемого ми-кромодуля и программного обеспечения с учетом реализации её блоков в виде БИС;
• разработка БИС:
• разработка и моделирование аналоговых частей;
• разработка и моделирование цифровых частей;
• разработка топологии;
• верификация топологии, передача управляющей информации на завод-изготовитель.

    В ЦМИД для микромодуля была разработана аналого-цифровая БИС, структурная схема и топология которой приведены на рисунках 3 и 4.

В неё входят следующие составные части микромодуля, реализованные на начальном этапе на микросхемах средней степени интеграции:

• повышающий преобразователь постоянного тока (DC-DC);
• преобразователь напряжение-ток с аппаратным модулем генерации выходных импульсов тока и выходным аналоговым мультиплексором;
• программируемый предусилитель;
• схема контроля работоспособности БИС.

Рис. 3 - Структурная схема микромодуля.

 

 

Рис. 4 - Топология БИС.

 

   БИС реализована по технологии CMOS с проектными нормами 0,35 мкм, имеет размеры кристалла 2360 х 2575 мкм и вес 12 мг.

   Аппаратный исполнительный модуль генерации выходных импульсов тока в составе БИС, позволяет уменьшить нагрузку на микроконтроллер микро-модуля (в исходном варианте генерация импульсов тока выполнялась программно) и перенаправить его вычислительные мощности на реализацию других функций микромодуля, например, сжатия и шифрования данных.

Живые составляющие гибридного робота

Поиск, изучение и культивирование адекватного биологического объекта

   Создатели искусственных миниатюрных роботов и роботов на основе элементов живых организмов (например, культур нервных клеток) сталкиваются с рядом сложных проблем. Это, например, проблема, связанная с разработкой сверхминиатюрных источников энергии, и проблема перемещения минироботов в пространстве в разных средах - в воде, в воздухе, в твердых, «рыхлых и сыпучих» средах.

   Обе эти проблемы (и многие другие) уже «эффективно решены» в процессе эволюции природных биосистем. Например, у насекомых. Использование живых насекомых в качестве миниатюрных дистанционно управляемых экономичных транспортных средств, способных доставить необходимую электронную аппаратуру (акустические, вибраторные, фото, хемо, электро, тепловые датчики, датчики электромагнитных и иных возмущений среды и т.п.) в любой труднодоступный пункт назначения вполне реально.

    Известно, что насекомые - это самый многочисленный класс животных (более двух миллионов видов), которые освоили все среды обитания, кроме морских глубин, и адаптированы к широчайшему спектру биотических и абиотических факторов. Они используют разнообразные способы перемещения: ползание, бег, прыжок, полет, плавание. Насекомые способны перемещаться в воздухе по ветру и против ветра, по поверхности и в толще воды, на земле и под землей, под завалами, вызванными техногенными и природными катастрофами. Они могут нормально существовать при высоком уровне радиации, перемещаться по горизонтальным и вертикально ориентированным поверхностям - от гладких стеклянных, полированных, до шероховатых и «сыпучих», а также в древесине, в рыхлой лесной подстилке и т.п.

   Особое место в локомоции насекомых занимает способность к многочисленным формам и способам полета - от высокоманевренного (двукрылые и перепончатокрылые) до стремительного прямолинейного (стрекозы и др.), от стабильного в разнообразных погодных условиях (жесткокрылые и перепончатокрылые), до практически полного длительного «зависания» в воздухе над объектом (бабочки-бражники, мухи-журчалки, пчелы) и т.д. Обычно насекомые перемещаются на относительно небольшие расстояния. Однако существуют виды, способные в период миграций преодолевать по воздуху большие (межконтинентальные) расстояния (бабочки, саранчовые).

   Вместе с тем насекомые являются обычным элементом, как окружающей природы, так и мегаполисов, и с этой точки зрения их присутствие совершенно естественно и, поэтому, незаметно.
   В мировых исследованиях, посвященных созданию биороботов, используют очень узкий набор видов крупных тропических насекомых: тараканов (Blaberus giganteus, Gromphadorhina portentosa), бабочек-бражников, жуков-бронзовок и бабочек-шелкопрядов.

   Разработки проводятся в первую очередь с использованием «проводных» систем управления движением и поведением живых объектов. Как правило, такие системы работают под визуальным контролем экспериментатора и сфера их применения крайне ограничена.

   Использование крупных тропических видов объясняется двумя причинами. Во-первых, ИСИ микросистемы пока относительно велики по сравнению с насекомыми, а источники питания слишком тяжелы. Это сильно затрудняет внедрение «беспроводных» дистанционных систем управления движением и поведением насекомых. Во-вторых, набор экспериментальных насекомых ограничен еще и потому, что используемые в таких разработках виды давно стали лабораторными животными. С одной стороны это большой плюс, так как их можно выращивать в искусственных условиях и заниматься исследованиями круглый год. Об этом говорит мировой и отечественный опыт работы инсектариев. А минусом является тот факт, что в природе они менее жизнеспособны и в этом смысле подобны лабораторным белым мышам и крысам. Однако, как показали наши исследования, в отличие от млекопитающих, некоторые лабораторные насекомые все-таки сохраняют все основные формы поведения, характерные для диких животных. Это позволяет в экспериментальных условиях исследовать базовые механизмы поведения и возможности управления основными его формами.

   Как сказано выше, в настоящее время работы в этой сфере проводят только на тропических видах насекомых. Использование их в условиях нашей дикой природы практически невозможно. Однако эти виды можно эффективно использовать и у нас (в том числе и в условиях Севера), но только в антропогенных биоценозах - в городах с развитой системой подземных обогреваемых коммуникаций - в первую очередь систем отопления, канализации, энергоснабжения, а гибридные биороботы в этом случае могут быть полезны для их оперативного обследования. О такой возможности говорят исследования группы московских энтомологов, которые показали, что городские коммуникации, в том числе и транспортные, например метрополитен, в настоящее время успешно освоены крупными видами тропических тараканов [6,7].

   Именно поэтому исследователи обратили внимание на насекомых, как на эффективную естественную составляющую гибридных роботов.

   В ИЭФБ в течение нескольких десятилетий ведутся исследования биохимии, морфологии, физиологии и этологии некоторых отечественных и тропических видов насекомых. Это 4 вида прямокрылых (см., например, рис. 5) и 4 вида тропических тараканов (в том числе Blaberus giganteus и Gromphadorhina portentosa). Они успешно культивируются круглый год в инсектарии экспериментально-биологической клиники института и могут быть испытаны в качестве живой составляющей гибридного робота.

 

 Рис. 5 - Взрослый самец сверчка (Gryllus bimaculatus, обитает на юге РФ) из круглогодичной культуры экспериментально-биологической клиники ИЭФБ.

Возможные области воздействия на биологический объект

   Для проведения успешных испытаний указанных видов насекомых необходимо знать их жизненный цикл, наружную и внутреннюю морфологию - строение покровов, сенсорной, нервной, эндокринной и мышечной систем, особенности функционирования этих систем, а также этологию каждого вида. Для управления поведением необходима ИСИ микросхема с прямой и обратной связью. Прямая связь необходима для прецизионной стимуляции живого объекта, а обратная не только для контроля исполнения команд, но и для исследования механизмов базовых форм поведения.

   Чтобы вызвать определенную форму локомоции (поведения) необ-ходимо определить области и формы стимуляции, стадию развития и пол объекта. Возможно использование естественных или искусственных стимулов. Естественными стимулами (звук, свет, запах и др.) можно воздействовать на различные сенсорные системы, используя природные каналы связи (рис. 6).

 

Рис. 6 - Центральная нервная система (брюшная нервная цепочка) и дистантные механорецепторные (сенсорные) органы самки сверчка.

 

   Оптимальной для создания биороботов является «искусственная» прямая стимуляция электрическими импульсами центральной и периферической нервной системы, элементов мышечного аппарата, а также органов чувств, учитывая основные положения гипотезы о механизмах взаимодействия сенсорных систем [9]. В этом случае при правильном экспериментальном подборе точек приложения и параметров электрических стимулов можно обеспечить высокий уровень контроля поведения биообъекта, а также допустимые массогабаритные характеристики ИСИ микросистемы.

   По-видимому, еще более точного управления направленной локомоцией и поведением можно достичь, сочетая электрическое раздражение с обучением насекомых. Однако это предположение требует проведения особых исследований.

Возможный метод интеграции ИСИ микросистемы и живого объекта

   Важнейшей для создания биороботов является проблема сочетания ИСИ микросистемы и организма насекомого. В ИЭФБ разработана методика длительной регистрации электрической активности гигантских интернейронов брюшной нервной цепочки у относительно свободно движущегося сверчка (прямокрылые) [10]. Она позволила объединить отологический и электрофизиологический подходы к изучению функционирования церкальной механорецепторной системы (рис. 6,7).

Рис. 7 - Схема соединительного шнура для подключения микроэлектродов к предусилительной головке.
1 - двойной соединительный кабель; 2 - протакриловая муфта; 3- микроразъем для крепления индифферентного микроэлектрода, 4 - микроразъем для крепления отводящего микроэлектрода; 5-7 - отводящий микроэлектрод; 8 - брюшной отдел центральной нервной системы.

    Регистрация электрической активности может осуществляться в течение длительного срока (две недели и более - время активной жизни взрослого сверчка) при нормальном функциональном состоянии насекомого. Эта методика разрабатывалась для детального исследования работы отдельных элементов церкальной системы при активной локомоции (ходьба, бег, полет и т.п.), а также в различных поведенческих ситуациях (реакция убегания, половое поведение и др.). По-видимому, она может применяться для исследования функционирования других отделов нервной и мышечной систем не только у сверчков, но и у других насекомых. Есть основания полагать, что использование этой методики после ее адаптации к выбранным видам насекомых позволит успешно интегрировать ИСИ микросистемы и живые объекты.

Заключение

   Целью проекта является функциональная и конструктивно-технологическая интеграция биообъектов малых размеров (насекомых) с искусственными электронными сенсорными, управляющими и информационно-коммуникационными модулями для формирования миниатюрных дистанционно-управляемых по беспроводному каналу связи биороботов при обеспечении минимальных массогабаритных показателей и высокой энергетической эффективности биотехнических систем.

   Проект направлен на создание базовой архитектуры миниатюрного биотехнического комплекса на основе дистанционно управляемого насекомого, определение и оптимизацию функционального состава, исходя из достижения возможных массогабаритных, энергетических и информационных показателей. Отличительной особенностью проекта при решении задач конструктивно-технологической интеграции искусственных и естественных систем является поиск возможности использования в качестве базовых элементов гибких инородных субстратов в сочетании с природными конструктивно-функциональными элементами тела насекомого, на которых предполагается размещать электронные чипы (рис. 8).

   В заданном виде цель работы будет достигнута, если решить указанные в начале статьи задачи:

• разработать и изготовить оптимальную ИСИ микросистему,
• определить и изучить адекватный биологический круглогодично культивируемый в условиях лаборатории объект,
• адаптировать описанный метод длительной регистрации электрической активности центральной нервной системы насекомого с целью его использования для стимуляции биообъекта, т. е. разработать и изготовить систему интеграции ИСИ микросистемы и биологического объекта.

Рис. 8 - Схема дистанционно-управляемого гибридного био-робота на основе интеграции моторики насекомого (Gromphadorhina portentosa) и искусственной сенсорно-информационной микросистемы.

    Резюмируя сказанное, следует отметить, что создание сверх-миниатюрных дистанционно управляемых гибридных биороботов на основе интеграции моторики насекомых и искусственных сенсорно-информационных микросистем является вполне реальной, перспективной и стратегически важной задачей, для решения которой потребуется проведение серьезных фундаментальных и прикладных исследований в области физиологии насекомых, микро и наноэлектроники. Залогом успешной реализации биотехнической системы (bi-oboat) с использованием технологий гибкой электроники в сочетании с возможностями насекомых может являться совместная работа над проектом сотрудников Санкт-Петербургского государственного электротехнического универ-ситета «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ) и Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН (ИЭФБ РАН), у которых уже имеются описанные выше наработки в этой области.

Литература

1. Сайт http://lenta.ru/articles/2012/04/11/flies
2. Сайт http://web.ncsu.edu/abstract/science/wms-cockroach- steering/
3. Сайт http://www.wired.eom/dangerroom/2010/02/nuke- hunting-robo-roaches-enlisted-for-animal-army/
4. Сайт http://rnd.cnews.ru/reviews/index_science.shtml?2011/04/07/435485_2
5. Сайт http://uh.ni/a/797333
6. Сайт http://445000.ru/2011/07/22/tarakany-v-moskve.
7. Алешо Н. А. (2011). Распространение синантропных тараканов на территории городов России. Беспозвоночные животные в коллекциях зоопарков и инсектариев: материалы 4 Междунар. семинара. С. 36-42.
8. Wilson D. М., Weis-Fogh, Т. (1962). Patterned activity of co-ordinated motor units, studied in flying locusts // J. Exsp. Biol. 39, p. 643-667.
9. Князев A. H. (2000). Некоторые новые подходы к исследованию механизмов поведения насекомых. Тенденции развития физио-логических наук. СПб: Наука. С. 162-165.
10. Князев А. Н. (1983). Методика длительной регистрации электрической активности гигантских интернейронов брюшной нервной цепочки у свободно движущегося двупятнистого сверчка. Нейрон и межнейронная интеграция, Л. Наука. С. 196-199.