Cientistas desenvolvem tecnologia para controlar enxames de insetos ciborgues

Comunicações da Natureza (2025). DOI: 10.1038/s41467-024-55197-8″>

Os cientistas desenvolveram um algoritmo avançado de navegação de enxame para insetos ciborgues que os impede de ficarem presos enquanto navegam em terrenos desafiadores.

Publicado em Comunicações da Naturezao novo algoritmo representa um avanço significativo na robótica de enxame. Poderia abrir caminho para aplicações em ajuda humanitária, missões de busca e salvamento e inspeção de infraestruturas.

Os insetos ciborgues são insetos reais equipados com pequenos dispositivos eletrônicos nas costas – compostos por vários sensores como câmeras ópticas e infravermelhas, uma bateria e uma antena para comunicação – que permitem que seus movimentos sejam controlados remotamente para tarefas específicas.

O controle de um único inseto ciborgue foi demonstrado pela primeira vez pelo professor Hirotaka Sato da Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da NTU Cingapura em 2008.

No entanto, um único inseto é insuficiente para operações como missões de busca e salvamento, onde os sobreviventes do terremoto estão espalhados e há uma janela ideal de 72 horas para localizá-los.

Em 2021 e 2024, o Prof Sato e seus parceiros da Home Team Science & Technology Agency (HTX) de Cingapura e da Klass Engineering and Solutions demonstraram como os insetos ciborgues podem ser usados ​​para operações de busca e resgate no futuro.

Este último artigo sobre o novo sistema de enxame utiliza uma dinâmica líder-seguidor, onde um inseto ciborgue atua como líder de grupo guiando outros 19.

Co-autores correspondentes do artigo, Professor Masaki Ogura da Universidade de Hiroshima e Professor Wakamiya Naoki da Universidade de Osaka, desenvolveram o algoritmo de controle de enxame e programas de computador, enquanto o Professor Sato da NTU e sua equipe prepararam o enxame de insetos ciborgues, implementaram o algoritmo nos insetos ‘ mochilas eletrônicas, e conduziu os experimentos físicos em Cingapura.

Os cientistas notaram vários benefícios em seu novo algoritmo de enxame durante experimentos de laboratório. Permitir que os insetos ciborgues se movessem mais livremente reduziu o risco de os ciborgues ficarem presos em obstáculos, e os ciborgues próximos também poderiam ajudar a libertar aqueles presos ou capotados.

Como funciona o enxame de insetos ciborgues

Pesquisas anteriores demonstraram o controle de um único ciborgue ou de um grupo que era controlado por algoritmos que forneciam instruções detalhadas e complexas para insetos individuais, uma abordagem que não coordenaria o movimento de um grande grupo.

Com o novo método, o inseto líder é primeiro nomeado pelo algoritmo e depois notificado do destino pretendido, e sua mochila de controle se coordenará com a mochila de outros membros do grupo para guiar o enxame.

Essa abordagem de “líder de turismo” permite que o enxame se adapte de forma dinâmica, já que os insetos podem ajudar uns aos outros a superar obstáculos, ajustando seus movimentos caso um membro fique preso.

Os insetos usados ​​são baratas sibilantes de Madagascar, equipadas com uma placa de circuito leve, sensores e uma bateria recarregável nas costas – que forma um sistema de navegação autônomo que os ajuda a navegar pelo ambiente e os empurra em direção a um alvo.

Esses ciborgues consomem significativamente menos energia do que os robôs tradicionais, que dependem de motores que consomem muita energia para se movimentar. As pernas do inseto fornecem a locomoção necessária para mover a mochila, pois a mochila cutuca o inseto aplicando pequenos estímulos elétricos, guiando-o em uma direção específica.

Quando combinados com o algoritmo de controle de enxame, os instintos dos insetos permitem-lhes navegar em terrenos complexos e responder rapidamente às mudanças ambientais.

Em experimentos, o novo algoritmo reduziu a necessidade de cutucar os insetos em cerca de 50% em comparação com abordagens anteriores, permitindo assim que os insetos tivessem uma navegação mais independente sobre obstáculos e resolvendo problemas como insetos presos ou presos.

O professor Sato disse que a tecnologia deverá ser útil em missões de busca e salvamento, inspeção de infraestrutura e monitoramento ambiental, onde espaços estreitos e condições imprevisíveis tornam os robôs convencionais ineficazes.

“Para realizar operações de busca e inspeção, grandes áreas devem ser pesquisadas de forma eficiente, muitas vezes em terrenos desafiadores e cheios de obstáculos. O conceito envolve a implantação de vários enxames de insetos ciborgues para navegar e inspecionar essas regiões obstruídas. Uma vez que os sensores na mochila de um ciborgue Quando um inseto detecta um alvo, como seres humanos em missões de busca e resgate ou defeitos estruturais na infraestrutura, eles podem alertar sem fio o sistema de controle”, explica o professor Sato.

O Prof Sato é conhecido por seu trabalho pioneiro com insetos ciborgues. Ele já havia recebido reconhecimento global quando sua pesquisa foi nomeada uma das 50 Melhores Invenções de 2009 da revista TIME e uma das 10 Tecnologias Emergentes de 2009 (TR10) pela MIT Technology Review.

O co-autor correspondente do artigo, Professor Masaki Ogura, Escola de Pós-Graduação em Ciência Avançada e Engenharia da Universidade de Hiroshima, disse: “Nosso algoritmo de controle de enxame representa um avanço significativo na coordenação de grupos de insetos ciborgues para missões complexas de busca e resgate. Isto a inovação tem o potencial de aumentar significativamente a eficiência da resposta a desastres, ao mesmo tempo que abre novos caminhos para a investigação no controlo de enxames. Ela sublinha a importância de desenvolver métodos de controlo que funcionem eficazmente em cenários do mundo real, indo além dos modelos teóricos e. simulações.”

O coautor correspondente, Professor Wakamiya Naoki, Escola de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia da Informação da Universidade de Osaka, explicou: “Ao contrário dos robôs, os insetos não se comportam como pretendemos. No entanto, em vez de tentar controlá-los à força com precisão, descobrimos que adotar uma abordagem mais relaxada e grosseira não só funcionou melhor, mas também levou ao surgimento natural de comportamentos complexos, como ações cooperativas, que são difíceis de projetar como algoritmos.

“Esta foi uma descoberta notável. Embora as suas ações possam parecer aleatórias à primeira vista, parece que ainda podemos aprender muito com os comportamentos sofisticados e intrincados dos organismos vivos.”

O seu mais recente avanço sublinha o potencial prático dos sistemas bio-híbridos na abordagem aos desafios do mundo real e a importância das colaborações de investigação interdisciplinares globais.

Olhando para o futuro, a equipe conjunta pretende desenvolver algoritmos que permitam ações coordenadas do enxame além de movimentos simples, como o transporte colaborativo de grandes objetos.

Eles também planejam realizar experimentos em ambientes externos, incluindo pilhas de entulho comumente encontradas em zonas de desastre, para validar a eficácia do algoritmo em cenários mais complexos e do mundo real.