Crudeltà o necessità? Insetti-cyborg controllati con il kinect della Xbox 360, i ricercatori si difendono dalle accuse di crudeltà: “serve per la ricerca”

Nel film “Il quinto elemento” c’era una scena in cui un normale scarafaggio si arrampica sul tavolo durante un incontro con il presidente. Nel frame successivo, vediamo che l’insetto è controllato da remoto: attraverso una mini-telecamera e un microfono, l’operatore può sentire e vedere tutto ciò che accade. È vero, la sorveglianza finisce senza successo: lo scarafaggio viene ucciso … ma gli insetti controllati in miniatura fanno ora parte della realtà degli ultimi anni. Il loro sistema nervoso risulta abbastanza semplice da consentire all’animale di obbedire a semplici comandi. E ci sono molte opzioni per utilizzare tali cyborg: dall’intelligenza al salvataggio delle persone durante i disastri naturali. Tuttavia, questo non si applica solo agli insetti:

I cyborg sono meglio dei robot

Nel 2006, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ha chiesto agli scienziati americani di presentare “proposte innovative per lo sviluppo di tecnologie per creare insetti cyborg”L’esercito americano ha cercato a lungo di sviluppare robot ultrapiccoli, principalmente per la ricognizione aerea. Ma è stato un compito molto difficile. Questo perché, anzitutto, a piccole dimensioni, l’aerodinamica del volo cambia in maniera problematica. I dispositivi devono infatti essere abbastanza leggeri per volare ma abbastanza robusti da trasportare macchine fotografiche e altre attrezzature. Inoltre, il microrobot necessita di una fonte di alimentazione adeguata. Le batterie sufficientemente leggere per tali macchine non hanno la carica necessaria per farle funzionare a lungo. Ad esempio, un campione funzionante del microdrone volante DelFly Micro, che  misura meno di 10 cm, può rimanere in aria solo per tre minuti:

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L’uso di ibridi animale-macchina può alleviare almeno alcuni di questi problemi. Gli insetti non hanno bisogno di ricaricarsi per muoversi, hanno già un programma biologico per superare gli ostacoli. Inoltre, gli scienziati possono utilizzare altre abilità degli animali per i propri scopi, ad esempio la sensibilità agli odori e alle vibrazioni.

Uno joystick per scarafaggio:

“Hackerare” il cervello di un insetto per ottenere l’accesso per controllare il suo corpo non è un compito facile. Puoi, ad esempio, stimolare il centro del piacere o le aree responsabili del movimento. Tuttavia, anche il semplice sistema nervoso di un insetto è difficile da controllare. È molto più semplice ed economico dare all’auto il ruolo di un pilota che imposta la direzione desiderata con l’aiuto di segnali. Un’altra analogia sono i videogiochi. Controlliamo un personaggio (o, ad esempio, un’auto da corsa) che viene visualizzato sullo schermo. Per le azioni più semplici è sufficiente un joystick adatto con pulsanti di movimento:

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destra, sinistra, avanti, indietro. Sorprendentemente, gli ingegneri hanno posto un principio simile nel controllo dei mini-cyborg. Nel 2013, gli scienziati dell’Università della Carolina del Nord hanno presentato un prototipo di scarafaggio controllabile. Hanno preso un controller Kinect senza contatto che si trovava nella console Xbox 360, su cui era installato il programma di traiettoria. In precedenza, è già stato utilizzato per altri compiti, come la simulazione dell’attracco satellitare e la raccolta di detriti utilizzando un braccio manipolatore:

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Per controllare i movimenti, un microchip con un programma è collegato ai cerci sull’addome dello scarafaggio. Il cercus è un organo del tatto che reagisce alle vibrazioni nell’aria. Quando viene stimolato, lo scarafaggio striscia istintivamente nella direzione opposta. I fili inviano deboli impulsi elettrici e questo agisce come un pedale dell’acceleratore o un volante. La stimolazione delle antenne sulla testa fa girare lo scarafaggio come se ci fosse un ostacolo davanti a lui.

“Utilizzando questa tecnologia, i soccorritori potrebbero preparare un “gruppo” in miniatura per la mappatura degli oggetti di emergenza”, spiega Alper Bozkurt, professore di elettromeccanica e ingegneria informatica, uno degli autori del lavoro. “Gli insetti obbediranno ai comandi dell’operatore o a una prescrizione algoritmo che li invierà secondo i percorsi più efficienti in modo che i soccorritori abbiano un quadro completo di ciò che sta accadendo”.

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Piccolo cyborg, sì caro

Per l’implementazione pratica di tale tecnologia, è necessario risolvere un altro problema ingegneristico: rendere autonomo il cyborg. I primi prototipi utilizzavano normali batterie di piccole dimensioni, proprio come piccoli robot. Ma lo scarafaggio poteva essere controllato solo per pochi minuti. E cercare di ingrandire le batterie significherebbe che l’animale non sarebbe in grado di muoversi normalmente. Nel 2022, gli sviluppatori giapponesi del Thin-Film Device Laboratory presso il RIKEN Institute hanno testato  un nuovo prototipo. Include una batteria ai polimeri di litio, un ricevitore di segnale wireless e un modulo di controllo. L’innovazione del team è stata una cella solare flessibile a film sottile che trasferisce l’energia a una batteria.

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La potenza in ingresso di una tale batteria è di 17,2 mW. Secondo gli autori, questo è sufficiente affinché il cyborg “funzioni” per circa 150 minuti con una carica completa. E questo è 50 volte superiore a qualsiasi altro dispositivo di accumulo di energia utilizzato per scopi simili. Allo stesso tempo, gli ingegneri hanno appositamente reso le strutture flessibili per non ostacolare il movimento dell’insetto. Lo sviluppo ha ancora problemi. Ad esempio, negli esperimenti non è sempre stato possibile ottenere la precisione dei movimenti: in alcuni momenti lo scarafaggio non si girava, ma si muoveva in tondo. Forse, prima di “inviare” gli scarafaggi in missione, sarà necessario condurre dei test (qualcosa come l’addestramento) o addirittura modificarli geneticamente per essere più reattivi. Considerando che per un’operazione sono necessarie fino a diverse dozzine di persone, non si arriverà presto a soluzioni pratiche. Un altro ostacolo è che gli animali dovranno trasportare telecamere in miniatura e altri sensori. E qualsiasi carico aggiuntivo può portare al fatto che lo scarafaggio si comporterà in modo imprevedibile. Ad esempio, a un certo punto potrebbe bloccarsi, il contatto con il filo potrebbe staccarsi. La perdita anche di uno scarafaggio con una macchina fotografica riduce la redditività dell’intero progetto. Secondo il ricercatore di RIKEN Yujiro Kakei, solo le parti per equipaggiare uno scarafaggio gli sono costate 35 dollari.

Dagli insetti agli uccelli

Il fatto che gli sviluppi con gli scarafaggi siano avanzati di più non è un caso. Ha molti vantaggi: un robusto corpo chitinoso, sul quale è possibile installare uno “zaino” con una batteria e un chip controller; mancanza di ali sul dorso (stiamo parlando degli scarafaggi del Madagascar); muscoli di resistenza che ti consentono di trasportare attrezzature. Ma la questione non si limita a loro. I ricercatori cinesi hanno piani più ambiziosi. Un team di ricercatori dell’Università di Zhengzhou ha riportato  un test riuscito su un piccione controllato nel 2021. Inoltre, gli autori hanno notato che gli esperimenti sulla cyborgizzazione dei piccioni sono stati condotti nella RPC per circa dieci anni. Gli autori hanno sottolineato che la creazione di piccioni robotici è un compito molto difficile che richiede il lavoro coordinato di specialisti in programmazione, neuroscienze, anatomia e medicina. È necessario tenere conto delle abitudini dei piccioni, delle caratteristiche della formazione dei riflessi condizionati, del lavoro dei centri cerebrali e dei recettori. Ad esempio, troppa stimolazione può confondere un uccello, portarlo in stato di shock e angoscia.

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Ma già nell’ottobre 2022, Ruituo Huai e i suoi colleghi hanno riferito al South China Monitoring Post del successo dei test della tecnologia. Secondo un articolo pubblicato sulla rivista scientifica cinese Journal of Biomedical Engineering, il sistema di controllo del volo includeva un pannello solare grande circa la metà dello schermo di uno smartphone fissato alla schiena di un piccione; batteria al litio; un dispositivo di controllo collegato al cervello dell’uccello. In esperimenti precedenti, gli uccelli hanno seguito i comandi umani per circa 45 minuti, che è la durata di un drone commerciale medio, secondo Huai e il suo team. Gli uccelli potevano seguire semplici comandi come girare a destra oa sinistra con una precisione dell’80-90%. A volte gli uccelli non rispondevano a causa della stanchezza o delle distrazioni. Gli autori suggeriscono che tali uccelli possono essere utilizzati per ricognizioni poco appariscenti dell’area, anche per scopi militari.

Sensori viventi dal cervello di locusta

Un’altra possibile applicazione degli animali cyborg è la loro percezione unica dell’ambiente. Ad esempio, i sistemi sensoriali delle locuste potrebbero potenzialmente essere adattati per rilevare esplosivi e persino precursori di terremoti. Perché non usarli? Questo è esattamente ciò a cui pensava lo staff della James McKelvey School of Engineering dell’Università di Washington. Nel 2020, hanno svelato un sistema elettronico in grado di rilevare i neuroni sensibili all’odore di locusta e trasmettere informazioni in un modo che racconta ai ricercatori gli odori che l’insetto stava annusando. Per la stessa locusta, gli odori non erano significativi, ma quali neuroni attivati ​​in risposta a sostanze specifiche potrebbero aiutare nello sviluppo del biosensore. Secondo gli autori, il lavoro del sistema olfattivo della locusta può essere rappresentato come un’operazione logica. Ogni stimolo (una determinata sostanza chimica) innesca una risposta in un certo numero di neuroni nel cervello della locusta. In questo caso, in molti casi, gli stessi neuroni sono eccitati. Ma gli autori hanno notato che quando tutti gli schemi di eccitazione sono sovrapposti, diventa evidente una certa “specializzazione”. Hanno sviluppato un classificatore che riconosce accuratamente uno stimolo in base alla risposta dei neuroni. In altre parole, connettiti al cervello della locusta e “leggi” gli odori che sente.

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Utilizzando questa conoscenza, i ricercatori sono stati in grado di identificare i fumi di TNT, tri- e dinitrotoluene, RDX e nitrato di ammonio, un insieme di esplosivi chimicamente diversi. “La cosa più sorprendente”, ha detto Barani Raman, professore di ingegneria biomedica e coautore dello studio, “è che abbiamo potuto vedere chiaramente che i neuroni hanno risposto in modo diverso a TNT e DNT, così come a queste altre coppie chimiche esplosive”.

Firmware a livello di DNA

Un altro modo per ottenere organismi controllabili è modificarli immediatamente a livello genetico. Ancora una volta, i migliori risultati finora sono stati ottenuti per organismi semplici. Recentemente, gli scienziati della Osaka City University (Giappone) hanno creato un modello di vermi il cui movimento può essere corretto utilizzando segnali luminosi. Per fare ciò, gli scienziati hanno eseguito due operazioni.

In primo luogo, hanno isolato i geni per la proteina fotosensibile MosOpn3 dalle zanzare, e poi li hanno “piantati” nel verme nematode C. elegans. Il nuovo gene è stato reso attivo solo in alcune cellule, i neuroni nocicettivi che si attivano quando minacciati o danneggiati. Pertanto, il gene fotosensibile ha agito da segnalazione: ha attivato i nocicettori e, a loro volta, hanno costretto i nematodi a strisciare via dal pericolo immaginario. Un altro gene trapiantato, che codifica per la proteina LamPP e si trova nel DNA della lampreda, è stato programmato per essere attivo nei motoneuroni del verme. È sensibile alla luce con diverse lunghezze d’onda. Ad esempio, se esposti alla luce ultravioletta, i nematodi si congelavano e la parte verde dello spettro segnalava che era necessario andare avanti. Allo stesso tempo, un tale sistema si è rivelato resistente agli effetti di altri processi nel corpo. In altre parole, potrebbe essere riutilizzato molte volte. Secondo gli autori del lavoro, tali modifiche hanno un grande potenziale:

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possono essere sensibili a tipi di stimoli molto diversi, tra cui l’olfatto, il gusto e vari ormoni. Ma il lontano obiettivo di tali esperimenti non sarebbe anzitutto quello addestrare il nematode a estrarre informazioni preziose. Questi esperimenti – ribadiscono i ricercatori che si difendono dalle accuse di problemi etici – permettono di studiare il ruolo dei singoli neuroni e persino di controllarne l’attivazione. E questo apre la strada alla cura di molte malattie localizzate nel cervello. Ad esempio, è noto che in una persona con schizofrenia, un gruppo speciale di neuroni non funziona correttamente. In futuro, questo problema potrebbe essere risolto con l’aiuto dell’optogenetica (genetica leggera): i virus di consegna (vettori) possono inserire il gene “proteina attivatore” nelle cellule desiderate – e quindi, con l’aiuto dell’esposizione ai raggi di un certo spettro, farli funzionare. Finora questa è solo una teoria, ma gli esperimenti con i nematodi aiutano ad affinare il meccanismo e a rendere le operazioni future più prevedibili. Link video:

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