欧博allbet客户端(www.aLLbetgame.us):用算法取代生物大脑,90后博士造出活的微型机械人登上Science子刊

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梦晨 发自 凹非寺

量子位 报道 | 民众号 QbitAI

一只虫好像开了天主视角,绝不犹豫地一次性穿过迷宫爬到终点:

这条长度约1厘米,宽度80微米的虫,照样在麻醉状态,神经系统无法向肌肉转达运动指令。

而控制它运动的,是视觉反馈导航算法。

它成了一条赛博虫,一个在世的微型机械人。

微米级机械人在医疗领域有很高的应用价值,好比可以在人体内自主行动,把药物精准地送到能施展药效的地方,还可以辅助 *** 移动辅助人工受孕。

这项把科幻场景带到现实的研究,来自加拿大麦吉尔大学的90后博士董先科,相关论文刊登在Science子刊Science Robotics上。

不外,为什么不是重新造一个机械人,而用虫子取代呢?

由于微型机械人在手艺上还面临着几浩劫题:

工艺上,微米尺度下的机械人若何制造、装配,又该若何供能?

控制上,若何周详控制微型机械人的运动,又该若何丈量?

原理上,微米环境下物理定律的尺度都缩小了,摩擦力与粘滞力的作用要比重力大上几个数目级,若何让机械人高效运动?

董先科脑洞大开,能不能借用一下现成的生物身体?

自然进化出来的生物已经顺应了微米环境的运动方式,还会自己用饭喝水供能,只要想设施举行控制,问题就都解决了。

于是他盯上了线虫。

被研究得显著了白的虫

研究选用的是秀丽隐杆线虫,这种线虫已经是种种科学研究的常客。

由于它容易滋生,而且全身透明,考察起来很是利便:

它尚有一个特点是结构简朴,成虫只有约莫1000多个体细胞。

其中神经细胞有302个,它的神经系统所有的毗邻已被科学家画出图谱,还能实时成像。

可以说是被研究得显著了白的了。

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现在微型机械人身体已经找到了,接下来要解决的是若何控制它行动。

用算法取代大脑

*** 线虫肌肉运动的是光信号。

用波长473纳米的蓝色激光照射肌肉细胞,可以 *** 细胞上ChR2通道打开,让钙离子进入 *** 肌肉的缩短,从而控制线虫肌肉的运动。

这项手艺叫做光遗传学,是一项整合了光学、软件控制、基因操作手艺、电心理等多学科交织的生物工程手艺。

首先用化学方式阻断线虫的运动神经元与肌肉细胞的信息通报。

然后,通过机械视觉算法实时剖析线虫的姿态和周围的环境。

用微米级激光束精准照射线虫的差异部位,来控制移动偏向,实现了“用算法取代大脑”。

完整的实验装置示意图是这样的:

一个开创性思绪

这项研究除了开拓活体生物与机械人连系的新思绪以外,对其他相关领域也很有启发。

对于传统机械人,微米环境下的运动与一样平常宏观运动有很大差异,往往运动速率和效率不高。

通过正确控制线虫运动连系肌肉活性的荧光成像,可以辅助微米尺度下蛇形运动的动力学研究,指导新型机械人的设计和控制。

对于医疗,用微米激光束周详操控肌肉细胞活性的实验,对瘫痪疾病的治疗也有启示意义。

研究中开发的剖析线虫运动的算法代码还发在了GitHub上开源。

本文第一作者董先科,于2012年在哈尔滨工业大学航天学院自动化专业完成本科学习。

2014-2019年在加拿大麦吉尔大学机械工程系获得博士学位,主攻机械视觉,微机械人,以及机械人周详操作研究偏向。

2017-2019年在加拿大多伦多大学机械与工业化学院学习接见,完成博士课题。

2019年至今在加拿大多伦多一家科技公司担任算法研发工程师,卖力嵌入式高帧率眼光跟踪系统的算法开发,以及在医疗AR和辅助驾驶场景的应用。

他的研究兴趣包罗了图像处置与机械视觉,机械学习与深度学习,微机械人和机械人控制等偏向。

近年在Science Robotics, IEEE T-MECH, IEEE T-ASE, IEEE T-BME, IEEE T-NBS, ICRA等权威期刊和聚会揭晓学术论文20余篇,曾以第一作者身份获得机械人领域顶级学术聚会ICRA2015的最佳聚会论文提名奖和最佳自动化论文提名奖。

通过这项研究,他对机械人有了新的感悟:

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