Moscas de frutas são uma importante fonte de inspiração na robótica

Pesquisadores do Laboratório de Neuroengenharia da EPFL, liderados por Pavan Ramdya, visam replicar o funcionamento do cérebro da mosca de frutas comuns, Drosophila melanogaster. A EPFL conversou com Ramdya sobre as perspectivas emocionantes de robótica.

Na tela, branco em um fundo preto, uma mosca é ampliada milhares de vezes e caminha calmamente por uma superfície esférica em suas seis pernas. “Observe, em um segundo ele fará o Moonwalk.” Estamos no coração do laboratório de neuroengenharia EPFL com Pavan Ramdya, chefe do laboratório e pesquisador de pós -doutorado, Maite Azcorra. Ela brilha pequenos pulsos focados de luz a laser em tempo real usando uma técnica conhecida como optogenética, que usa luz para ativar neurônios específicos. Como se estivesse sob comando, a mosca move as pernas para trás. E parece uma dança.

O grupo de pesquisa de 14 pessoas de Ramdya estuda o sistema nervoso desses insetos de 2 milímetros desde 2017. “O Maite está atualmente estudando como os neurônios que descem das funções motoras de controle cerebral”, diz Ramdya. O grupo espera eventualmente engenharia reversa do cérebro da mosca e modelá-lo para robótica.

Um grande passo à frente foi o desenvolvimento de um gêmeo digital que os pesquisadores podem usar para simular com precisão os comportamentos de uma mosca; Outro foi um avanço importante para entender como as redes neurais transformam sinais cerebrais em movimentos coordenados. A EPFL sentou-se no escritório do neurocientista nascido em Nova York para falar sobre seu trabalho.

Você pode descrever a ideia geral por trás do seu programa de pesquisa?

Os seres humanos tentam há séculos construir máquinas que podem se comportar como animais ou pessoas. Na Grécia antiga, por exemplo, marionetes automatizadas eram bastante comuns – esses eram objetos simples, mas já eram uma forma de biomimética, na medida em que imitaram a forma como um corpo real se move. Essa é a mesma idéia que estamos perseguindo aqui, exceto que usamos métodos e sistemas muito mais avançados que podem verdadeiramente animais biométicos como a mosca da fruta.

Por que você está estudando Drosophila melanogaster especificamente?

É claro que existem animais mais complicados, como mamíferos, mas são mais difíceis de estudar. E há mais simples como C.Elegans, um verme com apenas cerca de 300 neurônios [flies have about 100,000 and humans have approximately 86 billion] Mas não podemos aprender tanto sobre o comportamento deles. Ao contrário dos vermes, as moscas têm pernas e fazem muito com elas – andam por aí, limpam -se, manipulam obstáculos e muito mais.

É muito mais interessante para aplicações em robótica e neuroprostética saber como uma criatura com asas e pernas funciona. Eles são espécimes perfeitos dessa perspectiva: simples o suficiente para estudar, mas complexos o suficiente para oferecer muitas idéias.

Em sua recente palestra no TEDX, você disse que nos futuros robôs usados ​​para explorar e colonizar novos planetas podem se parecer muito com essas moscas.

Sim, os robôs para a exploração espacial precisarão concluir inúmeras tarefas por conta própria e tomar decisões autonomamente enquanto se movem em ambientes desconhecidos e hostis. Os engenheiros trabalham para construir esses robôs há décadas, mas por enquanto, mesmo as máquinas mais sofisticadas não estão nem perto da agilidade da mosca da fruta.

As moscas podem fazer coisas incríveis. Eles não apenas podem voar, eles também são extremamente estáveis ​​devido às suas seis pernas. Eles podem se mover em todas as três dimensões enquanto executam outras tarefas com as pernas. Eles são uma importante fonte de inspiração!

Como o trabalho que você está fazendo influencia o desenvolvimento da robótica e da IA?

Muitos engenheiros estão trabalhando no lado do hardware dos robôs – por exemplo, baterias e motores. Esse não é o nosso foco. Estamos procurando projetar seus controladores. Com a idéia de desenvolver uma mosca robótica, nosso principal ponto de interesse é entender como ele pode controlar seus membros. É por isso que estamos estudando o sistema nervoso da Fruit Fly – para obter insights que nos ajudarão a desenvolver redes neurais que podem ser usadas em robótica e IA.

Eu também apontaria que os robôs que usam esses controladores não precisam ter o tamanho de uma mosca. Contanto que seja escalado adequadamente, eles podem ter qualquer tamanho – até o tamanho de uma casa, embora isso seja um pouco assustador!

Mas sua pesquisa também inclui outros aspectos.

Isso mesmo. Uma característica única das moscas é que suas pernas são cobertas com sensores mecânicos. Como as moscas usam todas as informações que eles coletam para entender seu ambiente e detectar objetos ao seu redor? Como eles decidem quando levantar uma ou mais de suas pernas sobre obstáculos?

Esses são os tipos de perguntas que queremos responder. E para fazer isso, estamos tentando desenvolver materiais padronizados após a cutícula da mosca com sensores integrados que podem ser usados ​​nos robôs.

Muitos especialistas em robótica e IA disseram que, para criar máquinas genuinamente capazes de aprender, as máquinas devem ter corpos que possam se movimentar e explorar seu ambiente.

Sim, essa é uma teoria central mantida por cientistas que estudam neurobiologia e comportamento. E também deve ser uma teoria central na IA, pois os animais podem se comportar de maneira mais flexível do que os robôs. Os engenheiros que trabalham no aprendizado de máquina geralmente apontam que os bebês humanos se movem constantemente e tocam as coisas, explorando o ambiente para aprender sobre o mundo ao seu redor.

Esse processo é muito mais eficaz do que se apenas lhes apresentasse vídeos de seu ambiente. Os sensores que mencionei anteriormente – aqueles em moscas – também servem a esse propósito.

Atualmente, quais são os maiores obstáculos para o desenvolvimento de sistemas que podem aprender explorando seu ambiente?

Um obstáculo é criar algoritmos que possam processar dados sensoriais. Se eles não puderem contextualizar esses dados, seria muito difícil para as máquinas aprender os comportamentos apropriados. É importante enfatizar que a solução existe – está escondida nos sistemas nervosos dos animais. É isso que estamos tentando descobrir. Em vez de passar décadas tentando projetar uma solução do zero, por que não olhar para o que já existe em moscas?

Isso será necessariamente uma abordagem mais fácil e rápida?

O que provavelmente precisaremos é de uma combinação de abordagens diferentes. Especialmente porque os animais têm muitas restrições e objetivos que não são relevantes para nossos propósitos. Por exemplo, os robôs não precisam ser capazes de reproduzir ou defecar.

É por isso que também devemos incluir biólogos em nosso trabalho e não apenas engenheiros. Eles são mais capazes de saber quais partes de um organismo podemos ignorar, como os neurônios usados ​​para evacuar alimentos, para que os engenheiros não se concentrem neles. Uma abordagem interdisciplinar é essencial para o trabalho que estamos fazendo.

O objetivo é eventualmente mapear o cérebro humano?

Vou ter que lhe dar uma resposta egoísta: para mim, pessoalmente, esse não é meu objetivo. Tenho mais de 40 anos para morar se tiver sorte, e realmente gostaria de ver grandes avanços na minha vida que podem mostrar como os sistemas biológicos funcionam. Isso parece possível com a mosca da fruta, mas seria muito mais complicado para o cérebro humano.

Talvez seja apenas uma questão de escala – talvez simplesmente precisemos pegar o cérebro de uma mosca e multiplicá -lo por um milhão. Isso pode nos dar algo inteligente e certamente seria muito interessante. Mas não tenho certeza se isso capturaria a inteligência humana. Eu não acho que poderíamos usar exatamente a mesma abordagem para o cérebro humano que a mosca da fruta, porque demoraria muito.

Como sua abordagem à neurociência é diferente da de outros neurocientistas?

Na neurociência, eu diria que mais de 99% das pessoas estão trabalhando em tópicos relacionados à saúde e medicina humana. A maioria dos estudos que examinam como a neurociência pode informar o tratamento de uma doença, por exemplo, é realizada usando ratos ou ratos, porque são mamíferos como nós. Eu acho que o que nosso grupo de pesquisa está fazendo pode mudar as perspectivas das pessoas de duas maneiras.

Primeiro, analisamos a neurociência não apenas em termos de saúde humana, mas em como ela pode ser aplicada na robótica para construir máquinas de novas maneiras. E, em segundo lugar, chamamos a atenção para a menor fração de neurocientistas que estudam insetos.

Devemos ter em mente que muitos dos insetos do nosso planeta estão ameaçados. Olhe para as abelhas e o importante papel que eles desempenham na polinização. É uma questão crítica. As moscas da fruta não são uma espécie ameaçada, mas podem fornecer informações sobre as que são, ajudando a apoiar os esforços de conservação. Isso pode incentivar as pessoas a ver o mundo de uma perspectiva mais ecológica e apreciar a contribuição vital feita pela biodiversidade.