Morfologiškai tikroviškas musės biomechaninis modelis

DeepFly3D Robot Fly Illustration

NeuroMechFly, pirmasis tikslus musės „skaitmeninis dvynys“. Drosophila melanogaster, siūlo labai vertingą bandymų lentą tyrimams, kurie skatina biomechaniką ir biorobotiką. Tai galėtų padėti paruošti kelią musę primenantiems robotams, pavyzdžiui, čia pavaizduotam. Kreditas: EPFL

Skaitmeninis Drosophila dvynys

„Kurdami NeuroMechFly naudojome dviejų rūšių duomenis“, – sako profesorius Pavanas Ramdya iš Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) gyvybės mokslų mokyklos. „Pirmiausia paėmėme tikrą musę ir atlikome kompiuterinę tomografiją, kad sukurtume morfologiškai tikrovišką biomechaninį modelį. Antrasis duomenų šaltinis buvo tikrieji musės galūnių judesiai, gauti naudojant pozos įvertinimo programinę įrangą, kurią sukūrėme per pastaruosius porą metų, leidžiančią tiksliai sekti gyvūno judesius.

Ramdya grupė, dirbanti su profesoriaus Auke Ijspeert grupe EPFL Biorobotikos laboratorijoje, šiandien (2022 m. gegužės 11 d.) publikuoja straipsnį žurnale Gamtos metodai pristatomas pirmasis tikslus „skaitmeninis musės dvynys“. Drosophila melanogasterpavadintas „NeuroMechFly“.

Laikas bėga

Drosophila yra dažniausiai naudojamas vabzdys gyvosios gamtos moksluose ir ilgalaikis Ramdya, kuris daugelį metų dirbo skaitmeniniu būdu sekdamas ir modeliuodamas šį gyvūną, tyrimų centre. 2019 m. jo grupė išleido DeepFly3D – giliu mokymusi pagrįstą judesio fiksavimo programinę įrangą, kuri naudoja kelis kameros vaizdus, ​​kad būtų galima kiekybiškai įvertinti Drosophila trimatėje erdvėje.

Tęsdama gilų mokymąsi, 2021 m. Ramdya komanda paskelbė „LiftPose3D“ – metodą, leidžiantį atkurti 3D gyvūnų pozas iš 2D vaizdų, paimtų iš vienos kameros. Tokie laimėjimai sprogstančioms neurologijos ir gyvūnų įkvėptos robotikos sritims suteikė įrankių, kurių naudingumo negalima pervertinti.

NeuroMechFly

Skaitmeninis Drosophila melanogaster modelis, vadinamas NeuroMechFly. Kreditas: Pavan Ramdya (EPFL)

Daugeliu atžvilgių „NeuroMechFly“ yra visų tų pastangų kulminacija. Apribotas šių ankstesnių tyrimų morfologinių ir kinematinių duomenų, modelis turi nepriklausomas skaičiavimo dalis, kurios imituoja skirtingas vabzdžio kūno dalis. Tai apima biomechaninį egzoskeletą su artikuliuojamomis kūno dalimis, tokiomis kaip galva, kojos, sparnai, pilvo segmentai, proboscis, antenos, apynairiai (organai, padedantys musei išmatuoti savo orientaciją skrendant), ir neuroninio tinklo „valdikliai“ su variklio išėjimu. .

Kodėl verta sukurti skaitmeninį dvynį Drosophila?

„Kaip mes žinome, kada supratome sistemą? sako Ramdya. „Vienas iš būdų – sugebėti jį atkurti. Galime pabandyti sukurti musę robotą, bet daug greičiau ir lengviau sukurti imituojamą gyvūną. Taigi viena iš pagrindinių šio darbo motyvų yra pradėti kurti modelį, kuriame būtų integruota tai, ką mes žinome apie musės nervų sistemą ir biomechaniką, siekiant patikrinti, ar to pakanka paaiškinti jos elgesį.

„Kai atliekame eksperimentus, mus dažnai motyvuoja hipotezės“, – priduria jis. „Iki šiol formuluodami hipotezes ir prognozes rėmėmės intuicija ir logika. Tačiau, kai neuromokslai tampa vis sudėtingesni, mes labiau pasitikime modeliais, kurie gali sujungti daugybę tarpusavyje susijusių komponentų, juos atkurti ir numatyti, kas gali nutikti, jei ką nors pakeistumėte.

Bandymų stendas

„NeuroMechFly“ siūlo labai vertingą bandymų lentą tyrimams, kurie patobulina biomechaniką ir biorobotiką, tačiau tik tiek, kiek tiksliai atspindi tikrąjį gyvūną skaitmeninėje aplinkoje. Tai patikrinti buvo vienas iš pagrindinių tyrėjų rūpesčių. „Mes atlikome patvirtinimo eksperimentus, kurie parodo, kad galime glaudžiai atkartoti tikro gyvūno elgesį“, – sako Ramdya.

Mokslininkai pirmą kartą atliko 3D matavimus tikroms vaikštančioms ir viliojančioms musėms. Tada jie atkartojo tą elgesį naudodami NeuroMechFly biomechaninį egzoskeletą fizikos modeliavimo aplinkoje.

NeuroMechFly tyrimų komanda

Jonathanas Arreguitas, Victoras Lobato Ríosas, Auke Ijspeert, Pavan Ramdya, Shravan Tata Ramalingasetty ir Gizem Özdil. Kreditas: Alainas Herzogas (EPFL)

Kaip parodyta dokumente, modelis iš tikrųjų gali numatyti įvairius judėjimo parametrus, kurie kitaip nėra išmatuoti, pavyzdžiui, kojų sukimo momentus ir kontaktines reakcijos jėgas su žeme. Galiausiai jie sugebėjo panaudoti visas NeuroMechFly neuromechanines galimybes, kad atrastų neuroninio tinklo ir raumenų parametrus, leidžiančius musei „bėgti“ taip, kad būtų optimizuotas ir greitis, ir stabilumas.

„Šie atvejų tyrimai sustiprino mūsų pasitikėjimą modeliu“, – sako Ramdya. “Tačiau mus labiausiai domina tai, kada modeliavimas nesugeba atkartoti gyvūnų elgesio, nurodant būdus, kaip pagerinti modelį.” Taigi „NeuroMechFly“ yra galingas bandymų pagrindas, leidžiantis suprasti, kaip elgesys atsiranda sąveikaujant tarp sudėtingų neuromechaninių sistemų ir jų fizinės aplinkos.

Bendruomenės pastangos

Ramdya pabrėžia, kad „NeuroMechFly“ buvo ir bus bendruomenės projektas. Programinė įranga yra atvirojo kodo, kurią mokslininkai gali naudoti ir modifikuoti. „Sukūrėme įrankį ne tik sau, bet ir kitiems. Todėl padarėme jį atviro kodo ir modulinį bei pateikiame gaires, kaip jį naudoti ir modifikuoti.

„Mokslo pažanga vis labiau priklauso nuo bendruomenės pastangų“, – priduria jis. Svarbu, kad bendruomenė naudotųsi šiuo modeliu ir jį patobulintų. Tačiau vienas iš dalykų, kuriuos „NeuroMechFly“ jau daro, yra pakelti kartelę. Anksčiau, kadangi modeliai nebuvo labai tikroviški, mes neklausėme, kaip juos būtų galima tiesiogiai informuoti duomenimis. Čia mes parodėme, kaip galite tai padaryti; Galite pasinaudoti šiuo modeliu, pakartoti elgseną ir gauti prasmingos informacijos. Taigi, manau, tai yra didelis žingsnis į priekį.

Nuorodos: „NeuroMechFly, neuromechaninis suaugusiųjų modelis Drosophila melanogaster„Victor Lobato Ríos, Shravan Tata Ramalingasetty, Pembe Gizem Özdil, Jonathan Arreguit, Auke Jan Ijspeert ir Pavan Ramdya, 2022 m. gegužės 11 d. Gamtos metodai.
DOI: 10.1038 / s41592-022-01466-7

Leave a Comment

Your email address will not be published.