Hmyzí mozky pomáhají utvářet nové čipy
Včely se dokážou orientovat ve svém okolí s úžasnou přesností. Jejich mozky nyní inspirují vědce pro design drobných čipů s nízkou spotřebou energie, které by jednou mohly řídit miniaturní roboty a senzory.
Když včela opustí hnízdo, má již v hlavě vlastní verzi GPS. Analýzou vzorů na obloze a rychlosti letu dokáže sledovat svou polohu a bezpečně se vrátit domů. Vědci z toho čerpají inspiraci v naději, že změní způsob práce počítačů.
Pevně zabudovaná navigace
„Včela najde cestu do svého mateřského úlu bez satelitní navigace pouze na základě sledování polarizace oblohy a své rychlosti,“ vysvětluje prof. Anders Mikkelsen z Lundské univerzity, která je součástí výzkumné iniciativy InsectNeuroNano, o níž informoval výzkumný magazín Horizon. Jejím cílem je replikovat vnitřní navigační systém včel na počítačovém čipu.
Dnešní čipy sice již dokáží simulovat, jak včely nacházejí cestu do svého mateřského úlu, ale nedokáží to s takovou efektivitou jako ony. Současný čip, který váží asi 80 gramů, spotřebuje více než sedm wattů energie, přitom včela, která váží méně než gram, spotřebuje k napájení svého mozku méně než setinu wattu. Výzkumný tým se proto snaží vyvinout stejně účinný čip nové generace.
Vědci z technických univerzit a laboratoří pěti evropských zemích vytvářejí čip inspirovaný hmyzem, který dokáže určit svou vlastní polohu a bude menší a efektivnější než cokoli, co je v současnosti pro tento druh navigačního úkolu k dispozici. Mohl by být použit v čemkoli od levných environmentálních senzorů až po roboty podobné hmyzu, kteří čistí životní prostředí.
Profesor Mikkelsen řekl, že si dokáže představit včelí robotí kolonii, která by se naprogramováním dala použít např. k umělému opylování pole nebo stavbě nějaké struktury.
Proč je včelí mozek efektivnější než čip?
Dnešní standardní čipy jsou všestranné a určené k plnění různých úkolů. Například centrální procesorová jednotka, tzv. „mozek“ počítače, nám umožňuje odesílat e-maily, načítat webové stránky a upravovat textové dokumenty. Specializovanější čipy, jako jsou grafické karty, zvládají vše od fotografií zvířat a věcí až po složité světy videoher.
Čip, který navrhuje tým InsectNeuroNano, je koncipován tak, aby dělal pouze jednu věc. Využívá signály z připojeného světelného senzoru a také rychlost k určení své vlastní polohy. Je vysoce specializovaný, podobně jako včelí mozek, který se vyvinul spíše pro efektivní navigaci než pro všestrannost. To se sice může zdát jako omezení, ale umožňuje to, aby byl čip malý a energeticky úsporný.
Nový miniaturní čip tak dokáže sice vykonávat pouze jeden úkol, ale zato extrémně energeticky efektivně.
Od hmyzího mozku k čipu
Biologové a inženýři výzkumného týmu pracují na tom, aby poznatky ze světa hmyzu přenesli do světa počítačového designu. Například prof. Elisabetta Chicca z Univerzity v Groningenu v Nizozemsku, která se specializuje na biologicky inspirované systémy, vytvořila pro pochopení hmyzích mozků virtuální modely čipů.
„Příroda pro některé problémy našla řešení, které je vysoce efektivní, kompaktní a s nízkou spotřebou energie, jaké nabízejí např. hmyzí mozky. Sice o nich nevíme všechno, ale dost na to, abychom mohli začít budovat systém,“ řekla Elisabetta Chicca.
Výzkum pomáhá přehodnotit fungování čipů. Zatímco dominantním modelem výpočetní techniky po celá desetiletí byl princip, kdy čip funguje na základě elektrických signálů předávaných mezi svými komponentami pomocí drátů, systém vytvořený InsectNeuroNano používá nanofotonické obvody, které vedou světlo skrz drobné struktury na čipu o průměru pouhé miliardtiny metru v procesu zvaném fotonické výpočty.
„Světlem lze posílat více dat energeticky efektivnějším způsobem. Náš senzor také detekuje světlo, které používáme k vnímání a myšlení, což věci zjednodušuje. Obojí je důležité, pokud chceme vytvořit čip o velikosti hmyzího mozku,“ vysvětluje prof. Anders Mikkelsen.
První kroky robotických včel
Vědcům se zatím podařilo vytvořit první prototyp čipu v laboratorních podmínkách, který napodobuje funkci hmyzího mozku. A ačkoli výroba takto malých čipů s využitím nových konstrukčních principů, jako jsou nanofotonické výpočty, je složitá, práce týmu již pomohla posunout technologii vpřed a vědci se v tomto procesu hodně naučili.
„Než dokážeme vyrobit robotickou včelu, bude ještě potřeba podniknout mnoho kroků. V tomto projektu jsme přešli od teoretického konceptu k něčemu, co na laboratorním stole napodobuje hmyzí mozky. Nyní musíme sestavit celý systém a rozšířit vše, co jsme se naučili v laboratoři,“ konstatuje prof. Mikkelsen s tím, že může trvat ještě 10 let, než se tato technologie dostane do reálného světa.
Tom Cassauwers
Foto: Shutterstock, Univerzita Wurzburg
34
