Создание робота требует времени, технических навыков, правильных материалов, а иногда и немного грибка.

Создавая пару новых роботов, исследователи из Корнелла вырастили маловероятный компонент, который можно найти не в лаборатории, а на лесной подстилке: грибной мицелий. Используя врожденные электрические сигналы мицелия, исследователи открыли новый способ управления «биогибридными» роботами, которые потенциально могут реагировать на окружающую среду лучше, чем их чисто синтетические аналоги.

Статья группы «Сенсорно-моторное управление роботами, опосредованное электрофизиологическими измерениями грибкового мицелия» опубликована в журнале Science Robotics . Ведущий автор — Ананд Мишра, научный сотрудник Лаборатории органической робототехники под руководством Роба Шепарда, профессора машиностроения и аэрокосмической техники в Корнеллском инженерном колледже, и старший автор статьи.

«Эта статья — первая из многих, в которых будет использоваться царство грибов для обеспечения сенсоров окружающей среды и командных сигналов для роботов с целью повышения уровня их автономности», — сказал Шепард. «Выращивая мицелий в электронике робота, мы смогли позволить биогибридной машине чувствовать окружающую среду и реагировать на нее. В этом случае мы использовали свет в качестве входных данных, но в будущем это будут химические данные. Потенциал будущих роботов может заключаться в том, чтобы определять химию почвы в пропашных культурах и решать, когда добавлять больше удобрений, например, смягчая нисходящие эффекты сельского хозяйства, такие как вредоносное цветение водорослей».

При проектировании роботов будущего инженеры взяли много идей из животного мира , создав машины, которые имитируют движения живых существ, ощущают окружающую среду и даже регулируют внутреннюю температуру с помощью потоотделения. Некоторые роботы включают в себя живой материал, например клетки мышечной ткани, но эти сложные биологические системы трудно поддерживать здоровыми и функциональными. В конце концов, не всегда легко поддерживать жизнь робота.

Мицелий — это подземная вегетативная часть грибов, и у них есть ряд преимуществ. Они могут расти в суровых условиях. Они также обладают способностью воспринимать химические и биологические сигналы и реагировать на множественные входы.

«Если вы думаете о синтетической системе — скажем, любом пассивном датчике — мы используем ее только для одной цели. Но живые системы реагируют на прикосновение, они реагируют на свет, они реагируют на тепло, они реагируют даже на некоторые неизвестные, такие как сигналы», — сказал Мишра. «Вот почему мы думаем, хорошо, если вы хотите построить будущих роботов, как они могут работать в неожиданной среде? Мы можем использовать эти живые системы, и любой неизвестный ввод поступит, робот отреагирует на это».

Однако поиск способа интеграции грибов и роботов требует большего, чем просто технической подкованности и таланта садовода.

«Нужно иметь опыт в машиностроении , электронике, немного в микологии, немного в нейробиологии, немного в обработке сигналов», — сказал Мишра. «Все эти области объединяются, чтобы построить такую ​​систему».

Мишра сотрудничал с рядом междисциплинарных исследователей. Он консультировался с Брюсом Джонсоном, старшим научным сотрудником по нейробиологии и поведению, и узнал, как регистрировать электрические сигналы , которые переносятся в нейроноподобных ионных каналах в мембране мицелия. Кэти Ходж, доцент кафедры фитопатологии и биологии растительных микробов в Школе интегративной растениеводства в Колледже сельского хозяйства и естественных наук, научила Мишру выращивать чистые культуры мицелия, поскольку загрязнение оказывается довольно сложной задачей, когда вы втыкаете электроды в грибок.

Разработанная Мишрой система состоит из электрического интерфейса, который блокирует вибрацию и электромагнитные помехи и точно регистрирует и обрабатывает электрофизиологическую активность мицелия в реальном времени, а также контроллера, вдохновленного центральными генераторами паттернов — своего рода нейронной цепью. По сути, система считывает необработанный электрический сигнал, обрабатывает его и идентифицирует ритмические всплески мицелия, затем преобразует эту информацию в цифровой сигнал управления, который отправляется на исполнительные механизмы робота.

Были построены два биогибридных робота: мягкий робот в форме паука и колесный бот.

Роботы провели три эксперимента. В первом случае роботы ходили и катились соответственно в ответ на естественные непрерывные всплески сигнала мицелия. Затем исследователи стимулировали роботов ультрафиолетовым светом, что заставило их изменить походку, продемонстрировав способность мицелия реагировать на окружающую среду. В третьем сценарии исследователи смогли полностью переопределить собственный сигнал мицелия.

Последствия этого выходят далеко за рамки областей робототехники и грибов.

«Этот проект — не просто управление роботом», — сказал Мишра. «Это также создание настоящей связи с живой системой. Потому что как только вы слышите сигнал, вы также понимаете, что происходит. Возможно, этот сигнал исходит от каких-то стрессов. Так что вы видите физическую реакцию, потому что эти сигналы мы не можем визуализировать, но робот делает визуализацию».