Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur), la Universidad de Osaka y la Universidad de Hiroshima han desarrollado un algoritmo avanzado de navegación en enjambre para insectos cyborg que les impide quedarse atascados mientras navegan por terrenos desafiantes.
Publicado en comunicación de la naturalezaEl nuevo algoritmo representa un avance significativo en la robótica de enjambres. Esto podría allanar el camino para aplicaciones en ayuda en casos de desastre, misiones de búsqueda y rescate e inspecciones de infraestructura.
Los insectos cyborg son insectos reales equipados con pequeños dispositivos electrónicos en sus espaldas (que contienen varios sensores como cámaras ópticas e infrarrojas, una batería y una antena para comunicación) que les permiten controlar de forma remota sus movimientos para tareas específicas.
El control de un solo insecto cyborg fue demostrado por primera vez en 2008 por el profesor Hirotaka Sato de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de NTU Singapur.(1).
Sin embargo, una sola plaga es insuficiente para las operaciones de búsqueda y rescate, donde los sobrevivientes del terremoto están dispersos y tienen una ventana óptima de 72 horas para localizarlos.
En 2021(2) y 2024(3)El profesor Sato y sus socios de la Agencia de Ciencia y Tecnología (HTX) del equipo local de Singapur y Class Engineering and Solutions demostraron cómo los insectos cyborg podrían usarse para futuras operaciones de búsqueda y rescate.
Este último artículo sobre el nuevo sistema de enjambre utiliza una dinámica líder-seguidor, donde un insecto cyborg actúa como líder de grupo para guiar a otros 19.
Coautor correspondiente del artículo, profesor Masaki Ogura(4) El profesor Wakamiya Naoki, de la Universidad de Hiroshima y la Universidad de Osaka, desarrolló algoritmos de control de enjambres y programas informáticos, mientras que el profesor Hirotaka Sato de la NTU y su equipo crearon enjambres de insectos cyborg, aplicaron el algoritmo a las mochilas electrónicas de los insectos y realizaron experimentos físicos. Singapur.
Los científicos observaron varias ventajas de su nuevo algoritmo de enjambre durante las pruebas de laboratorio. Permitir que los insectos cyborgs se muevan más libremente reduce el riesgo de que los cyborgs queden atrapados en obstáculos, y los cyborgs cercanos también pueden ayudar a liberar a los cyborgs enredados o volcados.
Cómo funcionan los enjambres de insectos cyborg
Estudios anteriores han demostrado el control de un solo cyborg o de un grupo controlado por algoritmos que proporcionan instrucciones detalladas y complejas a insectos individuales, un método que no coordinaría el movimiento de un grupo grande.
En el nuevo método, el algoritmo primero asigna el insecto líder, luego se le informa del destino previsto, y su mochila de control se coordinará con las mochilas de otros miembros del grupo para guiar el enjambre.
Este enfoque de “líder turístico” permite que el enjambre se adapte dinámicamente, ya que los insectos pueden ayudarse entre sí a superar obstáculos, ajustando sus movimientos si uno de los miembros se queda atascado.
Los insectos utilizados son cucarachas silbantes de Madagascar equipadas con una placa de circuito de luz, sensores y una batería recargable en la espalda, formando un sistema de navegación autónomo que les ayuda a navegar y dirigirlos hacia su objetivo.
Estos cyborgs consumen significativamente menos energía que los robots tradicionales, que dependen de motores que consumen mucha energía para moverse. Las patas del insecto proporcionan el impulso necesario para mover la mochila, ya que la mochila aplica pequeños estímulos eléctricos para mover al insecto en una dirección específica.
Cuando se combinan con algoritmos de control de enjambres, los instintos de los insectos les permiten navegar por terrenos complejos y responder rápidamente a los cambios ambientales.
En los experimentos, el nuevo algoritmo redujo los insectos en aproximadamente un 50 por ciento en comparación con los métodos anteriores, lo que permitió a los insectos navegar de manera más independiente sobre obstáculos y resolver problemas como que los insectos se atasquen o se atasquen.
El profesor de NTU, Hirotaka Sato, dijo que se prevé que la tecnología sea útil en misiones de búsqueda y rescate, inspecciones de infraestructura y monitoreo ambiental, donde los espacios confinados y las condiciones impredecibles hacen que los robots convencionales sean ineficaces.
“Para llevar a cabo operaciones de búsqueda e inspección, se deben inspeccionar de manera eficiente grandes áreas, a menudo sobre terrenos desafiantes y sin obstáculos. El concepto implica desplegar múltiples enjambres de insectos cyborg para navegar e inspeccionar estas áreas obstruidas. Una vez que los sensores en la mochila del cyborg detectan una objetivo, los insectos, por ejemplo, en misiones de búsqueda y rescate, fallas humanas o estructurales de la infraestructura, pueden alertar de forma inalámbrica a los sistemas de control. poder.” Explicó el profesor Sato.
El profesor Sato es mejor conocido por su trabajo pionero en el campo de los insectos cyborg. Anteriormente había recibido reconocimiento mundial cuando una de sus investigaciones fue nombrada Tiempo Los 50 mejores inventos de 2009 de la revista y una de las 10 tecnologías emergentes de 2009 (TR10) Revisión de tecnología del MIT.
El coautor correspondiente del artículo, Masaki Ogura, profesor de la Escuela de Graduados en Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima, dijo: “Nuestro algoritmo de control de enjambres representa un avance significativo en la combinación de grupos de insectos cyborg para misiones complejas de búsqueda y rescate. La innovación tiene el potencial de mejorar en gran medida la eficiencia de la respuesta a desastres. Además de abrir nuevas vías de investigación en el control de enjambres, va más allá de los modelos teóricos y las simulaciones a situaciones del mundo real. subraya la importancia de desarrollar mecanismos de control que funcionen eficazmente”.
El coautor correspondiente, el profesor Wakamiya Naoki, de la Escuela de Graduados en Ciencias y Tecnología de la Información de la Universidad de Osaka, explicó: “A diferencia de los robots, los insectos no se comportan como queremos. Sin embargo, en lugar de intentar obligarlos a controlar con precisión, encontramos que adoptar un enfoque más relajado y rígido no sólo funciona bien sino que también conduce al surgimiento natural de comportamientos complejos, como la acción cooperativa, que Como los algoritmos eran difíciles de diseñar, aunque sus acciones puedan parecer aleatorias a primera vista, podemos aprender mucho del comportamiento sofisticado y complejo de los organismos vivos”.
Su último progreso subraya el potencial práctico de los sistemas biohíbridos para abordar los desafíos del mundo real y la importancia de las colaboraciones de investigación interdisciplinarias globales.
De cara al futuro, el equipo conjunto tiene como objetivo desarrollar algoritmos que permitan acciones coordinadas de enjambre más allá del simple movimiento, como el transporte cooperativo de objetos grandes.
Planean realizar pruebas en entornos al aire libre, incluidos montones de escombros que se encuentran comúnmente en zonas de desastre, para verificar el rendimiento del algoritmo en escenarios más complejos y del mundo real.
(1) Hirotaka Sato etc.., “Un escarabajo cyborg: control del vuelo de los insectos a través de un microsistema implantable y sin ataduras”. 2008 IEEE 21ª Conferencia Internacional sobre Sistemas Micro ElectromecánicosTucson, AZ, EE.UU., 2008, págs. 164-167, doi: 10.1109/MEMSYS.2008.4443618.
(2) Chong, C. (6 de diciembre de 2021). El equipo de S’pore está convirtiendo cucarachas en insectos cyborg que salvan vidas en lugares de desastre Los tiempos del estrecho.
(3) Sun, D. (2024, 5 de abril). Las cucarachas cyborg de Singapur en exhibición en el evento de Seguridad Nacional en MBS. Los tiempos del estrecho.
(4) Masaki Ogura, Profesor, Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería Avanzadas, Universidad de Hiroshima