Ο εγκέφαλος των μελισσών διαμορφώνει την επόμενη γενιά υπολογιστικών μικροτσίπ, καθοδηγώντας τις προσπάθειες δημιουργίας μικρών, χαμηλής κατανάλωσης συσκευών που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στη ρομποτική και την περιβαλλοντική παρακολούθηση.
- Ο εγκέφαλος των μελισσών διαμορφώνει την επόμενη γενιά υπολογιστικών μικροτσίπ, καθοδηγώντας τις προσπάθειες δημιουργίας μικρών, χαμηλής κατανάλωσης συσκευών που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στη ρομποτική και την περιβαλλοντική παρακολούθηση.
- «Το τσιπ μας μπορεί να εκτελέσει μόνο μία εργασία,» σημειώνει ο Mikkelsen, «αλλά το κάνει εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικά και σε έναν μικροσκοπικό μέγεθος. Είναι μια εντελώς διαφορετική στρατηγική από τα άλλα υπολογιστικά τσιπ.»
Όταν μια μέλισσα αφήνει τη φωλιά της, διαθέτει ένα έμφυτο σύστημα που λειτουργεί πολύ όπως το GPS, επιτρέποντάς της να προσανατολίζεται με εκπληκτική ακρίβεια. Αναλύοντας μοτίβα στον ουρανό και την ταχύτητα πτήσης της, η μέλισσα μπορεί να προσδιορίσει τη θέση της και να βρει το δρόμο της για το σπίτι με ασφάλεια. Οι ερευνητές πλέον στρέφονται σε αυτές τις φυσικές πλοηγικές δεξιότητες για να καινοτομήσουν στο σχεδιασμό υπολογιστικών μικροτσίπ.
Ο καθηγητής Anders Mikkelsen από το Πανεπιστήμιο Lund στη Σουηδία, που είναι μέρος της χρηματοδοτούμενης από την ΕΕ πρωτοβουλίας InsectNeuroNano, επισημαίνει την αποδοτικότητα των μελισσών στην πλοήγηση, δηλώνοντας: «Μια μέλισσα βρίσκει το δρόμο της πίσω χωρίς smartphone ή δορυφορική πλοήγηση. Το καταφέρνει αυτό κοιτώντας την πόλωση του ουρανού και την ταχύτητά της. Βάσει αυτών, δεν χάνεται.»
Ο στόχος του Mikkelsen και της ομάδας του είναι να αναπαράγουν το εσωτερικό σύστημα πλοήγησης της μέλισσας σε ένα υπολογιστικό τσιπ. Τα υπάρχοντα τσιπ μπορούν να μιμηθούν τον τρόπο με τον οποίο πλοηγούνται οι μέλισσες, αλλά είναι πολύ λιγότερο αποδοτικά. «Αν πάρεις ένα ελαφρύ τσιπ, θα ζυγίζει εύκολα πάνω από 80 γραμμάρια και θα χρησιμοποιεί πάνω από 7 βατ ενέργειας,» εξηγεί. «Μια μέλισσα ζυγίζει κάτω από ένα γραμμάριο και καταναλώνει λιγότερο από το ένα εκατοστό του βατ για να τροφοδοτήσει τον εγκέφαλό της. Φαντάσου αν μπορούσες να φτιάξεις ένα τσιπ τόσο αποδοτικό.»
Αυτό το φιλόδοξο έργο περιλαμβάνει συνεργασία ερευνητών από διάφορες ευρωπαϊκές χώρες, με στόχο τη δημιουργία ενός τσιπ εμπνευσμένου από έντομα που μπορεί να προσδιορίζει μόνο του τη θέση του. Μια τέτοια συσκευή θα μπορούσε να έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών, από φθηνούς αισθητήρες περιβάλλοντος μέχρι μικροσκοπικά ρομπότ που μπορούν να βοηθήσουν σε οικολογικές εργασίες.
«Θα μπορούσαμε να φτιάξουμε μικρά ρομπότ σε μέγεθος εντόμων με αυτό,» προσθέτει ο Mikkelsen. «Θα ήταν σαν να έχεις μια κυψέλη, αλλά εσύ θα υπαγόρευες τι να κάνει. Για παράδειγμα, θα μπορούσες να χρησιμοποιήσεις αυτά τα μικρά ρομπότ για να καθαρίσουν τη ρύπανση, να κατασκευάσουν μια δομή ή να πραγματοποιήσουν τεχνητή γονιμοποίηση σε ένα χωράφι.»
Ενώ τα παραδοσιακά υπολογιστικά τσιπ σχεδιάζονται για ευελιξία, χειριζόμενα πλήθος εργασιών από την αποστολή email έως την εκτέλεση βιντεοπαιχνιδιών, το τσιπ InsectNeuroNano είναι εξειδικευμένο για έναν μοναδικό σκοπό. Χρησιμοποιεί οπτικά σήματα και ταχύτητα για να προσδιορίσει τη θέση του, μιμούμενο την αποδοτικότητα του εγκεφάλου ενός εντόμου που έχει εξελιχθεί για πλοήγηση.
«Το τσιπ μας μπορεί να εκτελέσει μόνο μία εργασία,» σημειώνει ο Mikkelsen, «αλλά το κάνει εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικά και σε έναν μικροσκοπικό μέγεθος. Είναι μια εντελώς διαφορετική στρατηγική από τα άλλα υπολογιστικά τσιπ.»
Η ερευνητική ομάδα περιλαμβάνει επίσης βιολόγους και μηχανικούς που επιθυμούν να μάθουν από τις λεπτομέρειες του εγκεφάλου των εντόμων. Η καθηγήτρια Elisabetta Chicca από το Πανεπιστήμιο του Γκρόνιγκεν στην Ολλανδία, που εστιάζει σε βιο-εμπνευσμένα κυκλώματα, επισημαίνει: «Για ορισμένα προβλήματα, η φύση έχει ήδη βρει μια λύση που είναι συμπαγής, χαμηλής κατανάλωσης και αποδοτική. Οι εγκέφαλοι των εντόμων προσφέρουν μια τέτοια λύση.»
Το έργο της Chicca περιλαμβάνει τη δημιουργία εικονικών μοντέλων των τσιπ, μια απαιτητική εργασία δεδομένου ότι οι εγκέφαλοι των εντόμων παραμένουν σε μεγάλο βαθμό μυστήριο. «Πρέπει να κάνεις υποθέσεις για το πώς λειτουργούν ώστε να μπορείς να τα μεταφράσεις στα τσιπ,» εξηγεί.
Αυτή η διεπιστημονική προσέγγιση είναι αμοιβαία επωφελής· οι βιολόγοι αποκτούν γνώσεις από τα ευρήματα των μηχανικών, ενώ οι μηχανικοί μαθαίνουν για τις λειτουργίες του εγκεφάλου των εντόμων. «Μαθαίνουμε από τους βιολόγους,» δηλώνει η Chicca. «Αλλά και οι βιολόγοι μαθαίνουν από εμάς. Είναι υπέροχο να το βλέπεις αυτό.»
Η πρωτοβουλία υπερβαίνει τα όρια της τεχνολογίας μικροτσίπ, απομακρύνοντας από το παραδοσιακό μοντέλο όπου τα ηλεκτρικά σήματα ταξιδεύουν μέσω καλωδίων. Αντίθετα, η ομάδα InsectNeuroNano χρησιμοποιεί νανοφωτονικά κυκλώματα, που μεταφέρουν φως μέσω μικροσκοπικών δομών στο τσιπ, αυξάνοντας την ενεργειακή απόδοση και τις δυνατότητες μετάδοσης δεδομένων. Ο Mikkelsen τονίζει: «Μπορείς να στείλεις περισσότερα δεδομένα με φως με πιο ενεργειακά αποδοτικό τρόπο. Επίσης, ο αισθητήρας μας ανιχνεύει φως, οπότε χρησιμοποιούμε το φως για να αισθανθούμε και να σκεφτούμε, κάτι που απλοποιεί τα πράγματα.»
Αν και οι ερευνητές έχουν αναπτύξει επιτυχώς ένα πρωτότυπο τσιπ που μιμείται τις λειτουργίες του εγκεφάλου των εντόμων, αναγνωρίζουν ότι θα χρειαστεί περίπου μια δεκαετία πριν αυτή η τεχνολογία εφαρμοστεί σε καθημερινές χρήσεις. Ο Mikkelsen υπογραμμίζει τη συνθετότητα στη δημιουργία τόσο μικρών τσιπ με καινοτόμους σχεδιαστικούς κανόνες όπως η νανοφωτονική υπολογιστική.
«Υπάρχουν πολλά βήματα που ακόμα πρέπει να κάνουμε πριν έχουμε ένα ρομπότ μέλισσα να πετάει γύρω,» παραδέχεται. «Αλλά έχουμε κάνει ένα τεράστιο άλμα σε αυτό το έργο. Πήγαμε από μια θεωρητική ιδέα σε κάτι στο εργαστηριακό τραπέζι που μιμείται τον εγκέφαλο των εντόμων.»
Καθώς η ομάδα συνεχίζει να βελτιώνει το έργο της, παραμένει αισιόδοξη για το ενδεχόμενο κατοικίδιων ρομπότ σε μέγεθος εντόμου που μια μέρα θα μπορούν να προσανατολίζονται στο περιβάλλον τους χρησιμοποιώντας τις ίδιες δεξιότητες με τις πραγματικές μέλισσες. «Τώρα πρέπει να συνθέσουμε ένα ολόκληρο σύστημα,» καταλήγει ο Mikkelsen. «Πρέπει να επεκτείνουμε όλα όσα μάθαμε στο εργαστήριο. Τα πρώτα βήματα έγιναν – τώρα μπορεί η πραγματική πρόοδος να ξεκινήσει.»
