Грибам доверили управлять роботами

Американские инженеры использовали электрические сигналы, генерируемые грибным мицелием, для управления роботами. Для этого они вырастили мицелий вешенки внутри платформы с электродами, подключенными к системе сбора и обработки данных. Регистрируемые спонтанные и индуцированные облучением ультрафиолетовым светом электрические биопотенциалы мицелия оцифровываются и используются для генерации команд управления роботами двух типов: мягким пневматическим шагоходом, выполненным в виде пятиконечной звезды, и четырехколесной самодвижущейся платформой. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Robotics.

Современные роботы способны выполнять довольно сложные движения, имитирующие движения животных и человека, но по своим возможностям они все еще значительно уступают своим биологическим аналогам. Преодолеть этот разрыв пытается биогибридная робототехника, в рамках которой инженеры объединяют биологические ткани с искусственными механизмами и электроникой.

На сегодняшний день уже существуют небольшие экспериментальные биороботы, которые двигаются и управляются живыми мышечными и нервными волокнами. Однако, несмотря на определенный успех, использование биологических тканей животных не всегда удобно и сопряжено с рядом трудностей, так как для их сохранения необходимо поддерживать определенные температурные условия и параметры среды, подводить питательные вещества и антибиотики. Поэтому исследователи ищут более практичные в использовании биологические материалы. И одним из таких материалов может стать грибной мицелий — вегетативная ткань гриба, представляющая собой сеть тонких нитей. Мицелий может проводить электричество и даже генерировать собственные электрические импульсы, реагируя на внешние раздражители, например, свет или изменение влажности.

Инженеры под руководством Роберта Шепарда (Robert Shepherd) из Корнеллского университета попробовали использовать эти свойства грибного мицелия для управления роботами. В качестве источника биоэлектрической активности они выбрали мицелий вешенки Pleurotus eryngii — съедобного вида грибов, известного своей неприхотливостью. Мицелий был культивирован внутри 3D-печатной цилиндрической платформы со встроенными электродами. Регистрируемые с интервалом в 30 секунд биопотенциалы мицелия усиливаются и оцифровываются. И на основе высоты и ширины этих сигналов затем генерируются команды управления для робота.

Инженеры построили двух биогибридных роботов. Один из них имеет мягкую конструкцию, выполненную в форме звезды с пятью конечностями из силикона, которые приводятся в движение с помощью пневматики. Под действием давления все конечности сжимаются одновременно, однако из-за разницы в трении между их концами и поверхностью, робот продвигается в одном направлении. Контейнер с мицелием находится сверху, в центральной части. Открытием и закрытием пневматических клапанов управляют команды, генерируемые сигналами мицелия. Эксперименты показали, что такой мягкий биогибридный робот может передвигаться по ровной поверхности под управлением как спонтанных потенциалов мицелия, так и сигналов, возникающих при стимуляции мицелия ультрафиолетовым излучением.

Еще один робот, созданный инженерами, — это четырехколесная платформа с жестким корпусом. Емкость с мицелием здесь установлена внутри виброзащищенной клетки Фарадея. Это необходимо для того, чтобы снизить воздействие помех от электродвигателей и бортового оборудования на регистрируемые слабые сигналы мицелия. Управление движением колесного робота происходит с помощью мини-компьютера, который получает сигналы от мицелия через систему сбора данных PicoLog DAQ. Сигналы обрабатываются и преобразуются в команды управления четырьмя электромоторами, которые вращают колеса.

В ходе испытаний колесный робот успешно ездил по помещению, управляемый сначала спонтанными электрическими сигналами мицелия, а затем сигналами, вызванными стимуляцией ультрафиолетовым светом. В одном из экспериментов инженеры продемонстрировали, например, что облучение светом можно использовать, например, для смены направления движения робота, а в другом они заставляли робота ехать за источником света.

В дальнейших исследованиях инженеры планируют усовершенствовать систему сбора и обработки сигналов мицелия, так как они очень слабы и подвержены помехам.

Кстати, грибной мицелий можно применять не только для управления роботами. Его тонкие нити годятся для создания различных функциональных материалов. Из мицелия, к примеру, можно изготавливать мебель, стельки для обуви и даже гробы. Читайте об этом в нашем материале «Пошли по грибы».