Какво общо могат да имат хлебарките със спасителни мисии, а пчелите – с групова роботика за управление на дронове? Отговорът е свързан с биомиметиката – наука, която изследва как природата решава проблеми, с които технологиите тепърва се сблъскват.
В следващите редове от Preventa.bg ще разкажат за три различни изобретения, вдъхновени от или свързани с насекоми. Превента е водеща фирма за борба с вредители, а информацията в статията се базира на научни разработки и трудове, публикувани в авторитетни издания като Nature и ScienceDirect.
Колективният интелект на насекомите и груповата (Swarm) роботика
Мравките, осите, пчелите и други социални насекоми демонстрират сложно колективно поведение и забележителна координация в своите строго организирани колонии. Заедно те действат като един организъм и това е видно дори само от начина, по който строят гнездата си. Но има и много други примери, които го доказват.
Някои видове мравки (южноамериканските Eciton burchellii и африканските Dorylus например) създават живи мостове с телата си, за да могат останалите от колонията да се придвижат до места, където има храна или друг ценен за тях ресурс.
Пчелите също са чудесен пример за естествена колективна интелигентност. Те вземат заедно всички важни решения, без едноличен лидер. Да, във всеки кошер (и мравуняк) има царица, но нейната роля е само и единствено репродуктивна.
Пчелите-работнички не само действат координирано, но и общуват чрез сложна система от движения, известна като “waggle dance”. Чрез посоката и продължителността на танца те предават информация за местонахождението на източници на храна, а колонията избира най-добрия маршрут чрез своеобразно „гласуване“.
Това поведение на насекомите вдъхновява развитието на модели за swarm роботика, при която множество малки роботи работят заедно за изпълнение на общи задачи. А най-впечатяващото е, че работят без централно управление – сравнително автономни са.
Как работи технологията
Всеки робот е снабден с микроконтролер, софтуер за обработка на сензорни данни и възможност да взема самостоятелни решения според зададения алгоритъм – набор от правила, по които да реагира на средата и на останалите роботи. Така се се постига синхрон между отделните единици в системата, като същевременно се запазва относителната автономност на всеки от тях. Комуникацията помежду им се осъществява чрез чрез локални мрежи тип mesh.
В съвременните swarm системи все по-често се интегрира и изкуствен интелект (AI) за дейности като планиране на движенията, разпознаване на обекти и обработка на данни.
Този вид роботика вече намира приложение в различни сфери на човешката дейност.
В промишлени среди swarm системите се използват за оптимизация на складови процеси, където десетки автономни роботи подреждат и преместват стоки – много по-бързо и прецизно от хора.
В земеделието започват да се използват swarm дронове за наблюдение на посеви, реколта, пръскане и анализ на почвите. Такива дронове могат да се ползват и в спасителните операции за издирване на хора в труднодостъпни или опасни зони например.
SWARM подходът навлиза и във военната индустрия, където се разработват автономни безпилотни летателни апарати, способни да действат синхронизирано.
E-Antenna: иновативен сензор, вдъхновен от нощни насекоми
Насекомите разчитат на антените си не само за обоняние, но и за възприемане на околната среда и ориентиране в нея. Те са от особена важност при нощните видове, които далеч не разчитат само на зрението си, за да се ориентират в тъмнината на нощта. Говорим за молци, хлебарки и други, които използват антените си, за да изследват различни повърхности, текстури и форми на обекти. Фактически, навигират движението си благодарение на тактилни сигнали, преобразувани в нервната им система.
Хлебарките например имат изключително дълги и чувствителни антени с хиляди рецептори в тях, които улавят и най-малкото въздушно течение или мирис във въздуха. Макар зрението им да е пригодено към среда с ниска осветеност, истината е, че антените им вършат повече работа, отколкото очите за ориентация и възприемане на околната среда.
Учени “открадват” тази идея, за да създадат биомиметични електронни антени, които могат да усещат допир, натиск и посока на движение по начин, подобен на нощните инсекти. Но изкуствените са по-добри от тях.
През 2025 г. изследователи от Университета Цинхуа (Tsinghua University) и Университета на електронните науки и технологии в Китай представят в списание Nature Communications устройство, което имитира структурата и чувствителността на антените на нощни насекоми. Тяхната електронна антена (E-antenna) представлява гъвкав сензор, изграден от магниточувствителни материали, който притежава изключителна механична устойчивост и може да засича движения и вибрации, идващи от всички посоки. Тази универсална чувствителност (omnidirectional sensing) се постига чрез комбинация от сегментна структура, частична магнетизация и алгоритъм за тактилно възприятие, който обработва сигнала по начин, наподобяващ този на нервната система на насекомите.
Устройството има потенциал за приложение в различни области – от роботика до системи за безопасност и наблюдение. Сензорът е модулен и лесен за интеграция (plug-and-play).
В роботиката подобни антени могат да осигурят на машините способност за навигация в среда с ниска осветеност, без да разчитат единствено на камери. Робот, оборудван с такава антена, би могъл да се ориентира в тъмни помещения, като засича микродвижения и въздушни потоци – по същия начин, по който го правят молците и хлебарките.
А най-тривиалното приложение на сензора е в прахосмукачки-роботи.
Живи роботи: как учените превърнаха хлебарките в биохибриди
Но технологиите не само биват вдъхновявани от различни инсекти. В някои случаи инсектите стават част от самата система. Именно такъв е случаят с киборг-насекомите – технология, която съчетава науката с чиста биология. Използват се истински инсекти, към които се прикрепя електроника, която позволява контролиране на движенията и поведението на инсекта. За целта, учените използват основно хлебарки, скакалци и някои видове бръмбари.
Първите успешни опити в създаването на киборг-насекоми идват от Texas A&M University в началото на 2010-те, когато екипът на Hong Liang използва електроди, свързани с антените и крайниците на хлебарки, с които да контролира движенията им.
По-късно изследователи от North Carolina State University усъвършенстват технологията, създавайки надеждна платформа за дистанционно управление на насекоми. Институтът RIKEN в Япония пък допринася със създаването на ултратънък соларен модул, който се закрепва върху гърба на хлебарката и осигурява непрекъснато захранване на електрониката.
Най-често използваният вид хлебарки като биороботи са мадагаскарските съскащи хлебарки (Gromphadorhina portentosa). Причината за това е по-големият им размер и способността им да носят товари, три пъти по-големи от собственото им тегло.
Контролът на движението при киборг-хлебарките се осъществява чрез директна стимулация на нервната система. Върху гърба на насекомото е прикрепен миниатюрен електронен модул – своеобразна „раница“, съдържаща микроконтролер, батерия или соларен панел и безжичен предавател. От него излизат тънки проводници, свързани с нервните окончания в антените или в задната част на тялото (церки). Така се постига ефективна биохибридна навигация.
Технологията вече се разглежда като потенциален инструмент за спасителни операции и мониторинг в труднодостъпни зони, както и за военни и отбранителни цели. Биохибридите могат да се внедряват в срутени сгради след земетресения, където вградените сензори да изпращат информация за температура, ниво на въглероден диоксид или движение – показатели за наличие на оцелели. В други експерименти киборг-насекоми се използват за екологичен мониторинг – например за събиране на данни от пещери или замърсени зони, недостъпни за хора.
Освен това, изглежда, че вече има проекти, които комбинират биохибридния подход с груповата роботика. Проектът на немския стартъп SWARM Biotactics е такъв пример. Според Ройтерс, компанията е в преговори с немското правителство за производството на кборг хлебарки, които могат да бъдат управлявани индивидуално или да действат автономно като група.
