Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Robo Roach

Bug Report: Um RoboRoach faz uma pausa bem merecida depois de uma demonstração pública em um café em Woods Hole, Massachusetts.

Você acorda com o desejo de fazer alguma engenharia neural. Você abre seu terrário de insetos, tira seu besouro de flor de estimação, sua mariposa de tabaco ou sua barata, e liga um interruptor nas costas do inseto. Com o seu controle remoto, você começa a direcionar seu inseto pela sala.

Embora isso possa soar como ficção científica, os insetos controlados remotamente existem há 15 anos. A partir do final da década de 1990, dois grupos de pesquisadores (na Universidade de Tóquio e na Universidade de Michigan) conseguiram um controle rudimentar da rotação de baratas. O trabalho americano foi realizado com o objetivo final de criar "robôs híbridos" capazes de realizar monitoramento e reconhecimento de desastres. O trabalho foi publicado em pequenas revistas de comércio e recebeu um pouco de imprensa, mas passou amplamente despercebido. A pesquisa finalmente desapareceu, com os cientistas trabalhando em outras aventuras.

Anos mais tarde, mais duas universidades (Cornell e UC Berkeley) obtiveram um sucesso notável e pressionaram por seu trabalho de prova de conceito em besouros e mariposas voando usando o design moderno de eletrodos pequenos e técnicas cirúrgicas inovadoras.

Legal? Esquisito? Revolucionário? Horrendo? Depende da sua disposição. Talvez você esteja inspirado por esses ciborgues de insetos e também queira trabalhar nesses experimentos. Infelizmente, a menos que você esteja em um desses quatro laboratórios de pesquisa (um total de talvez 15 pessoas no mundo), você não terá acesso ao extenso equipamento e financiamento do governo necessários para construir sua interface de inseto-robô.

Uma interface de inseto robô DIY

Soa totalmente injusto? Você está com sorte. Nos últimos dois anos, nós da Backyard Brains trabalhamos para tornar a neurotecnologia anteriormente encontrada apenas em laboratórios de pesquisa avançada disponíveis para estudantes de todas as idades (bem, principalmente com idade acima de 12 anos). Ao criar equipamentos baratos e fáceis de usar, possibilitamos que todos façam experimentos neurais e acelerem nossa compreensão do sistema nervoso.

Para o nosso mais recente projeto, queríamos desenvolver um "RoboRoach" de super baixo custo para demonstrar os princípios de neuroestimulação aos alunos. Este projeto começou como uma designação sênior que gerenciámos e patrocinamos na Universidade de Michigan em 2010. Por razões de custo, não queríamos construir nossos próprios circuitos de controle remoto a partir do zero, então vasculhamos as lojas de brinquedos para os menores, mais leves, mais barato circuito de controle remoto que poderíamos encontrar (um trabalho difícil, mas alguém tem que fazê-lo). Nós nos instalamos no Hexbug Inchworm, já que o circuito é leve (1 grama), roda em apenas 3 volts (assim podemos usar uma pequena bateria de célula tipo moeda), tem 2 graus de liberdade e custa apenas US $ 20.

Para guiar o RoboRoach, removemos o circuito do brinquedo e alimentamos a saída do controlador do motor na antena de barata usando fios de prata muito finos (0,003 "de diâmetro ou bitola 40). O tecido neural dentro das antenas gosta de pulsos bifásicos (pulsos + e - quadrados), mas o Hexbug alimenta seus motores com CC (corrente contínua). Nós conseguimos converter este sinal usando o temporizador mais comum existente, o 555 (na verdade, um primo de baixa potência, o 551). Ao configurar o chip do temporizador em um modo astable e colocar um capacitor na saída (removendo o offset DC), conseguimos fazer com que o circuito do estimulador fornecesse pulsos de 55Hz. Isso está bem na faixa que os neurônios preferem.

O pacote total final, que inclui o conector, bateria 2016, nossas placas de circuito personalizadas 551 e plataforma Hexbug, pesa 7 gramas. Uma grande barata pesando 3 gramas pode levar mais de 9 gramas para experimentos de 10 minutos. A mochila é removível, então a barata só a usa temporariamente (quando não está conectada, o bicho está livre para comer alface fresca, beber água, fazer bebês, correr no escuro e fazer o que as baratas fazem e pensar).

Como dirigir uma barata

Para fazer com que a barata gire ao correr, aproveitamos o comportamento motor natural. Baratas gostam de correr perto de uma parede. Quando a antena toca em algo, eles se voltam para que eles corram paralelamente a ela. Isso faz parte de seu “mecanismo de fuga”. Os pulsos bifásicos levam o inseto a pensar que sentiu uma escova em uma de suas antenas, estimulando os nervos que normalmente conduzem informações sobre as coisas que a antena toca. Os pulsos fazem com que os nervos disparem mensagens elétricas (chamadas "pontas") no cérebro. O resultado final é que a barata irá girar na direção oposta da antena que ativamos através da estimulação.

Como biólogos, devemos enfatizar que as baratas não são realmente robôs. Eles têm sistemas nervosos em pleno funcionamento que mostram algumas propriedades maravilhosas como aprendizado e adaptação. A razão pela qual

a pesquisa nunca foi, em última análise, mais adiante, é que os insetos acabam aprendendo a ignorar a estimulação. Nossos cérebros (assim como os deles) eventualmente desconsideram coisas que não têm relevância comportamental (coisas que não nos ferem nem nos ajudam). Após aproximadamente 10 tentativas de estimulação, a resposta de rotação da barata diminui visivelmente e, eventualmente, pára em conjunto.

Mas - se a barata é colocada de volta em sua gaiola por algumas horas, ela esquece e a estimulação volta a funcionar. Após cerca de uma semana, no entanto, a estimulação deixa de funcionar inteiramente. Não sabemos por quê, mas suspeitamos que seja mais provável devido à bioincrustação dos eletrodos.

O RoboRoach Kit

Além disso, temos o prazer de informar que, após um ano de trabalho de desenvolvimento, temos protótipos em funcionamento e estamos começando a demonstrar e distribuir kits de barata para amadores, escolas e universidades. Também estamos orgulhosos em dizer que o projeto foi totalmente autofinanciado, e o custo total de prototipagem (sem incluir o poder intelectual e o trabalho, é claro) no último ano foi de cerca de US $ 1.000.

Existem benefícios educacionais reais para esses bio-robôs. As mesmas técnicas usadas no RoboRoach também são usadas em estimulação cerebral profunda (DBS) para o tratamento da doença de Parkinson e em implantes cocleares para restaurar a audição em surdos. Esses dispositivos clínicos ainda são relativamente crus e têm muito espaço para melhorias. Se mais e mais jovens engenheiros e biólogos trabalharem nos problemas das interfaces neurais, talvez ocorra um renascimento na neurotecnologia e no tratamento de aflições do sistema nervoso.

Esperamos que o que tivemos que gastar com o dinheiro dos contribuintes e anos de nosso tempo na escola de pós-graduação para estudar (isto é, a neurofisiologia do cérebro de mamíferos) se torne um conhecimento acessível e comum do ensino médio nos próximos 20 anos.

Se você quiser saber mais, visite-nos em roboroach.backyardbrains.com.

Ação

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