2024-10-02
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画像出典：アンスプラッシュ
彼はとても速く走った。
テクノロジーの発展により、多くのロボットが非常にスムーズな動きをすることができるようになり、人間が家事や特別な作業を完了できるように支援できるようになりました。しかし、ロボットがどんなにうまく設計されても、生命には太刀打ちできません。ロボットは一連のセンサー、アクチュエーター、指令を出すニューラルネットワークから組み立てられているため、彼らのセンサーは単一の信号しか検出できないことがよくあります圧力、光、熱など。
比較すると、生物はさまざまな信号に同時に反応できるだけでなく、その受容体密度も非常に高い。たとえば、指だけでも 3,000 以上の機械受容体があり、これらの受容体は数千の神経と神経経路に接続されており、これらの神経経路は相互に接続されており、指で感じた信号が素早く伝達されます。脳。このような複雑なコンポーネントをボトムアップで組み立ててロボットを完成させたい場合、必要なプロセスは現在の人間の技術レベルをはるかに超えています。
生命体とロボットを融合させることは可能でしょうか？一部の科学者は提案しましたバイオハイブリッドロボットバイオハイブリッドロボットのアイデア: 細胞をオンデマンドで有用な形に形成させたり、細胞によって自然に形成された特定の組織を使用してロボットを制御したりする。
science robotics に最近掲載された記事 (サイエンスロボティクス）、米国のコーネル大学の研究者らは、バイオハイブリッド ロボットの分野で新たな重要な一歩を踏み出しました。エリンギを使用（ヒラタエリンギ) 菌糸体は、さまざまな形のロボットの動きを制御することに成功しました。。
pleurotus eryngii 菌糸体を用いて制御されるロボットの 1 台（画像出典：原論文）
「エリンギロボット」
バイオハイブリッドロボットというと、エリンギを思い浮かべないかもしれません。なぜなら、これらの菌類が人間に与える第一印象は、美味しさは別として「バカ」という言葉だけかもしれないからです。しかし、バイオハイブリッドロボット工学の分野では、菌類は実際には動物細胞に比べて多くの比類のない利点を持っています。
初め、菌類は無菌環境で増殖する必要がなく、「増殖しやすい」、大量に繁殖するための基本的な栄養素を提供するだけで済みます。比較すると、「繊細な」動物細胞は、研究者が毎日新鮮な培地を交換する必要があるだけでなく、正常に増殖するために培地に抗生物質を添加する必要もあります。さらに、菌類も自然界に広く分布しています。高塩分、高酸、極性、さらには放射線環境でも生存、幅広いアプリケーション シナリオの基礎を築きます。
最後に、真菌も非常に危険です。さまざまな環境要因に敏感に対応する。たとえば、光は菌類の概日リズムを調節します。土壌の深部では、菌糸体が環境の変化に対応する巨大なネットワークを形成します。私たちのニューロンが信号を受け取った後に活動電位を生成するのと同じように、菌糸体の細胞も同様の電気信号は、膜を通過するイオンの輸送によって生成されます。、同様の脱分極と再分極のプロセスさえ存在します。
その結果、コーネル大学のロバート・f・シェパード教授の目に留まったのが、成長が早く無毒なかわいいキノコ、キングヒラタケです。環境要因に応じた pleurotus eryngii の電気信号を記録し、これらの信号をロボットへの指示として使用して対応する動作を実行できれば、それはロボットの制御に pleurotus eryngii を使用するのと同じではないでしょうか。四捨五入すると、これは単純に、pleurotus eryngii がガンダムロボットを運転しているだけです。！
エリンギ キノコ (画像出典: diego delso、ウィキメディア コモンズ経由)
しかし、菌類で制御されるロボットの実現は簡単ではありません。機械工学、エレクトロニクス、菌学、神経生物学、信号処理などの複数の分野を組み合わせた体系工学です。研究チームが解決する必要がある最初の問題は、菌糸体が生成する生体電気信号を安定して長期間記録するために、ロボットの動作中の振動や電磁干渉をどのように遮蔽するかということだ。彼らが使用した方法は、pleurotus eryngii の菌糸体を培養することでした。菌糸体を成長させて電極を包み込みます、電極との安定した接続を形成し、リアルタイムで電気信号を記録できるこの菌糸体モジュールをロボットブラケットの一部として使用します。
研究チームはまた、記録された生体電気信号にロボットの動きを誘導させる必要がある。したがって、それらは動物の神経系に由来します。中央パターンジェネレーター(cpg) では、特別な制御アーキテクチャが設計されました。 cpgは、リズミカルな感覚入力や中枢フィードバック入力（ヤツメウナギの多くの遊泳行動など）を必要とせずに、内生的にリズミカルな出力を生成し、リズミカルな運動パターンを形成できる神経回路です。研究者らは、菌糸体の電気信号をcpgと同様のデジタル制御信号に変換するアルゴリズムを設計し、この信号がロボットのアクチュエーター（バルブやモーター）に送信されてロボットの動きを制御した。
電極を包む菌糸体（画像出典：原論文）
この研究に基づいて、研究者らは、pleurotus eryngii 菌糸体によって「操作」できる 2 つのバイオハイブリッド ロボットを設計しました。そっくりさんヒトデ同じように、5本足で歩きます。もう1つは車です。車、4つの車輪によって前進します。研究者らは、菌糸体モジュールをロボットの「頭」として使用し、「エリンギ脳」からの信号がロボット本体のバルブとモーターをそれぞれ制御し、それによって「ヒトデ」と車を前進させることができる。
自然状態の「エリンギ脳」が生成する電気信号によってロボットは前進できるが、研究チームは依然として、これらのバイオハイブリッドロボットが外部環境に反応し、特定の条件下で移動できることを期待している。そこで彼らが選ぶのは、光を信号としてエリンギ菌糸体をさらに活性化する。 「キノコは光を嫌い、暗い場所で育つため、光は強い信号を与えます」とシェパード氏は言う。
研究者らは、紫外線、青色、赤色、白色光の 4 種類の光のうち、エリンギ菌糸体は紫外線に最も敏感です。そこで彼らは菌糸体に紫外線を照射し、ロボットを前進させた。論文に掲載されたビデオによると、菌糸体モジュールに紫外線を短時間照射するだけで、発生する強力な電気信号が「ヒトデ」とロボットをより速く前進させる指令を発するという。
紫外線照射後、エリンギ菌糸体で制御されたロボット「ヒトデ」が素早く前進した（動画出典：原論文）
その他のアプリケーション
この研究では、シェパードのチームはエリンギ菌糸体の光を感知して反応する能力のみをテストした。しかし研究者らは、菌類は環境に非常に敏感であるため、このようなロボットは、将来的には環境中の化学物質、病原体、さらには放射線を感知するためにも使用される可能性があります。。たとえば、農場の土壌の化学組成を感知し、適切な時期にのみ肥料を適用するようにロボットを駆動して、環境に対する肥料の影響を減らすために使用される可能性があります。
しかし、シェパード氏はこうも言いました。「菌類ロボット」を化学物質に反応させるのは、光に反応させるよりも難しい。特定の化合物の濃度と真菌の電気的活動との相関関係を確立する必要があるため、まず多数の関連記録と注釈を含む大規模なデータベースを構築し、次にこれを達成するために人工知能をトレーニングすることが必要になる場合があります。 。
重金属を含む電子機器に比べて感度が高いという利点に加え、バイオハイブリッドロボットは環境にも優しい。さらに、遠隔地で研究している科学者にとっては、地元の材料からロボットを作ったり、少量の菌糸体を地元に持ち込んで大量に培養したりすることもできる。これは彼らに大きな利便性をもたらすでしょう。
しかし、「pleurotus eryngii ロボット」にもいくつかの欠点があります。研究者らは、菌糸体から送られる信号が時間の経過とともに変化することを発見した。彼らは検出した電気信号はどんどん弱くなっていく、解像度の制限により、これらの弱い信号を高いサンプリングレートで捕捉することが困難になります。さらに、pleurotus eryngii の菌糸体は不死ではありません。寿命にも限界がある。このようなロボットの耐用年数を延ばしたい場合は、信号増幅のための新しいシステムを開発し、菌糸体モジュールに胞子と栄養素を再注入して再び成長できるようにする必要があるかもしれません。
紫外線照射後、エリンギ菌糸体で制御された自動車ロボットが素早く前進した（動画出典：原論文）
実際、科学者たちはこの研究の前にすでにバイオハイブリッドロボットについて多くの試みを行っていました。たとえば、科学者はバイオハイブリッドロボットに筋肉組織を使用し、電気信号または化学信号を通じて筋肉組織の収縮を引き起こし、ロボットが水泳や歩行などの動作を実行できるようにしました。一部のバイオハイブリッド ロボットは、発汗によって内部温度を調節することもできます。
一般人の目には、科学者たちはロボットの制御方法を変えただけのように見えますが、彼らにとっては決してそうではありません。環境信号、ロボット、生命システムを接続します。、多くの目に見えない無形の信号を、ロボットで実際に発生する物理的な動作に変換します。
おそらく近い将来、pleurotus eryngii によって「動かされて」ロボットがゆっくりとあなたに向かって歩いてくるのを見ることになるでしょう。
出典: グローバルサイエンス
