Пчелите се ориентират в заобикалящата ги среда с поразителна точност. Днес техният мозък вдъхновява проектирането на миниатюрни чипове с ниска консумация на енергия, които един ден биха могли да направляват микроскопични роботи и сензори.
Автор: Том Касауърс
Когато пчелата напуска кошера си, тя вече разполага със собствена версия на GPS в главата си. Чрез анализиране на образите в небето и скоростта си на полет пчелата може да проследява своето местоположение и да се завръща безопасно у дома. Днес изследователите черпят вдъхновение от този механизъм с надеждата да преобразят начина, по който компютрите се ориентират в пространството.
„Пчелата намира пътя си обратно без смартфон или спътникова навигация — споделя Андерс Микелсен, професор в Университета в Лунд, Швеция. — Тя постига това, като наблюдава поляризацията на небето и скоростта си. Поради това тя не се отклонява от пътя си.“
Микелсен е част от група учени, участващи във финансираната от ЕС инициатива „InsectNeuroNano“, чиято цел е да възпроизведат вътрешната навигационна система на пчелата в компютърен чип. Съвременните чипове вече могат да емулират начина, по който пчелите откриват пътя към дома, но пчелите го постигат много по-ефективно от компютрите.
„Ако вземете един лек чип, той с голяма вероятност ще тежи над 80 грама и ще консумира повече от 7 вата енергия — казва Микелсен, който координира инициативата. — Една пчела тежи по-малко от грам и използва по-малко от една стотна от вата за захранване на мозъка си. Представете си, ако можехте да създадете чип с такава ефективност.“
Именно това се е заел да направи екипът на Микелсен — съставен от изследователи от университети и лаборатории в пет европейски държави. Те разработват чип, вдъхновен от насекомите, който може да определя собственото си местоположение. Този чип ще бъде по-малък и по-ефективен от всичко, което се предлага в момента за подобен тип навигационни задачи.
Той би могъл да намери приложение в широк спектър от устройства — от бюджетни сензори за мониторинг на околната среда до насекомоподобни роботи за почистване на природата.
„С това бихме могли да създадем малки роботи с размерите на насекоми — казва Микелсен. — Това би било като да разполагате с пчелно семейство, на което вие казвате какво да прави. Бихте могли например да използвате тези малки роботи за почистване на замърсявания, за изграждане на конструкции или за изкуствено опрашване на нива.“
Хардуерно заложена навигация
Но защо мозъкът на пчелата е по-ефективен от един чип? Съвременните стандартни чипове са многофункционални и създадени да изпълняват различни задачи. Например централният процесор — „мозъкът“ на компютъра — ни позволява да изпращаме електронни писма, да зареждаме уеб страници и да редактираме текстови документи.
По-специализираните чипове, като графичните карти, обработват всичко — от снимки на котки до сложните светове на видеоигрите.
Чипът, който екипът на InsectNeuroNano разработва, е създаден да изпълнява само една задача. Той използва сигнали от вграден в чипа светлинен сензор, съчетани с данни за скоростта, за да определя собственото си местоположение.
Чипът е тясно специализиран, подобно на мозъка на пчелата, който е еволюирал в посока на ефикасна навигация, а не на многофункционалност. Това може да изглежда като ограничение, но именно то позволява на чипа да бъде малък и енергийно ефективен.
„Нашият чип може да изпълнява само една задача — споделя Микелсен. — Но той може да го прави изключително енергийно ефективно и в миниатюрен размер. Това е напълно различна стратегия в сравнение с останалите компютърни чипове.“
От мозъка на насекомото до чипа
Биолозите и инженерите от изследователския екип работят по пренасянето на познанията от света на насекомите в този на компютърното проектиране. Професор Елизабета Чика от Университета в Гронинген, Нидерландия, която специализира в областта на вдъхновените от биологията схеми и системи, е една от тях.
„За някои проблеми природата вече е намерила решение, което е компактно, енергоспестяващо и ефективно — споделя Чика. — Мозъците на насекомите предлагат именно такова решение. Не знаем всичко за тях, но знаем достатъчно, за да започнем изграждането на система.“
Черпейки от познанията на биолозите, Чика създава виртуални модели на чиповете — задача, допълнително усложнена от факта, че мозъците на насекомите все още не са напълно разгадани. „Трябва да се изградят хипотези за това как функционират, за да може това да бъде приложено в архитектурата на чиповете“ — допълва тя.
Този вид изследвания са полезни и за биолозите. С помощта на учени от други области, които да запълнят липсващата информация, те научават как би могъл да функционира мозъкът на насекомите. Например моделите на чипове биха могли да подскажат как са свързани определени невронни вериги в мозъка на пчелата.
„Учим се от биолозите — споделя Чика, — но и биолозите се учат от нас. Прекрасно е да наблюдаваш този процес.“
Първи стъпки към създаването на пчели-роботи
Изследването спомага да се преосмисли начинът, по който функционират чиповете. Обикновено чипът предава електрически сигнали между своите компоненти чрез проводници. Това е моделът, който доминира в изчислителната техника от десетилетия насам.
Вместо това в проекта InsectNeuroNano се използват нанофотонни схеми, които насочват светлината през миниатюрни структури върху чипа с размери едва няколко милиардни от метъра, в процес, наречен фотонни изчисления.
„С помощта на светлината можете да предавате повече данни по по-енергийно ефективен начин — казва Микелсен. — Освен това нашият сензор улавя светлина, така че ние използваме светлината както за усещане, така и за обработка на информацията, което опростява нещата. И двата аспекта са изключително важни, ако искаме да създадем чип с размерите на мозъка на насекомо.“.
До момента изследователите — чийто проект продължава до септември 2026 г. — са успели да създадат в лабораторни условия първия прототип на чип, който имитира функциите на мозъка на пчелата.
Все пак според Микелсен ще изминат около 10 години, преди тази технология да намери своето практическо приложение в реалния свят.
Производството на толкова малки чипове, при което се използват нови принципи на проектиране като нанофотонните изчисления, е сложен процес. Въпреки това работата на екипа вече е спомогнала за напредъка на технологията, а изследователите са натрупали значителен опит в хода на своята дейност.
„Има още много стъпки, които трябва да предприемем, преди да имаме летяща пчела-робот — споделя Микелсен. — Но в рамките на този проект направихме огромен скок. Преминахме от теоретична концепция към нещо, което стои на лабораторната маса и имитира мозъка на насекомите.“
Тяхната работа, макар и все още изискваща години изследвания, проправи пътя за създаването на роботи с размерите на насекоми, които един ден биха могли да се ориентират в пространството, разчитайки небето точно като истинските пчели.
„Сега трябва да сглобим цялостна система — допълва Микелсен. — Трябва да приложим в по-голям мащаб всичко, което научихме в лабораторията. Първите стъпки вече са направени, но истинският напредък тепърва предстои.“
Проучването в настоящата статия е финансирано от Европейския съвет по иновациите (ЕСИ). Вижданията на интервюираните не отразяват непременно вижданията на Европейската комисия.
Тази статия е публикувана първоначално в списанието за изследвания и иновации на ЕС Horizon.
За повече информация
