Исследователи из Калифорнийского технологического института использовали искусственный интеллект и робототехнику, чтобы пролить свет на одну из самых сложных структур скелета в животном мире: шарнир крыльев насекомых. Визуализация движений и моделирование показало, как мышцы мух управляют движением крыла для выполнения сложных аэродинамических маневров.
Шарнир крыла мухи содержит 12 управляющих мышц, к каждой из которых подключено по одному двигательному нейрону. Для сравнения — движениями крыльев колибри, которые обладают той же маневренностью, что и мухи, управляют тысячи мотонейронов.
Моделирование полета насекомых
Ученые генетически модифицировали фруктовую дрозофилу (Drosophila melanogaster) так, чтобы мышцы, контролирующие шарнир крыла, при активации светились флуоресцентным светом. Модифицированных мух поместили в камеру с тремя высокоскоростными камерами, снимающими до 15 000 кадров в секунду для измерения движения крыльев, и микроскопом для обнаружения флуоресцентной активации шарнирных мышц крыльев мухи.
Собрав данные о более 80 000 взмахов крыльев, ученые использовали машинное обучение для создания карты того, как 12 крошечных мышц действуют вместе, чтобы точно регулировать движение крыльев. Предыдущие компьютерные модели просто описывали модель движения крыльев. Новая модель, напротив, учитывает, как управляющие мышцы изменяют механику шарнира, вызывая движение крыла.
Исследование движений крыла фруктовых мух
Воспроизводя модели движения крыльев на динамически масштабируемой роботизированной мухе, ученые оценили влияние активности мышц на аэродинамические силы. Используя ИИ для управления роботизированными насекомыми, исследователи добились полета удивительно похожего на маневры живых мух.
За всю историю жизни на Земле полет развивался четыре раза: у птиц, летучих мышей, птерозавров и насекомых. У первых трех групп животных крылья сформировались из рук. Их механика понятна, поскольку другие подобные животные имеют аналогичные кости и мускулатуру. Но крылья насекомых лишены мышц и нервов и приводятся в действие сложным механизмом у основания крыла.
Ученые планируют создать детальную, основанную на физике модель, которая объединит биомеханику шарнира с аэродинамикой крыльев и лежащими в их основе нейронными цепями в мозгу мухи. Конечная цель — понять нейробиологическую связь между мозгом мухи и движением ее крыльев.
Мы хотим понять взаимосвязь между биомеханикой и нейробиологией. Всего несколько раз в эволюции животное имело одну очень успешную форму передвижения — ходьбу — и просто добавляло еще одну — полет. Это означает, что мозг насекомых должен иметь все схемы для регулирования совершенно разных способов передвижения.
Майкл Дикинсон, профессор биоинженерии и аэронавтики из Калифорнийского технологического института
