В мире биомеханики и нейробиологии произошло знаковое событие: создан NeuroMechFly — первый в истории высокоточный «цифровой двойник» плодовой мушки Drosophila melanogaster. Эта морфологически реалистичная биомеханическая модель открывает беспрецедентные возможности для исследований, служа уникальной виртуальной лабораторией для изучения движения, нейронного контроля и создания биовдохновленных роботов.
Профессор Паван Рамдья из Школы наук о жизни EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны) объяснил методологию создания модели: «В основе NeuroMechFly лежат два типа данных. Во-первых, мы использовали компьютерную томографию реальной мухи для построения анатомически точной биомеханической модели. Во-вторых, мы интегрировали данные о реальных движениях конечностей, полученные с помощью нашего собственного программного обеспечения для отслеживания позы, которое мы совершенствовали в течение последних лет».
11 мая 2022 года в престижном журнале Nature Methods была опубликована совместная работа групп профессора Рамдьи и профессора Ауке Иджсперта из лаборатории биоробототехники EPFL, представляющая научному сообществу эту инновационную разработку.
Эволюция технологий: путь к цифровому двойнику
Создание NeuroMechFly стало кульминацией многолетних исследований, сосредоточенных на дрозофиле — ключевом модельном организме в биологии. Ранее, в 2019 году, группа Рамдьи представила DeepFly3D — систему захвата движения на основе глубокого обучения, использующую несколько камер для точной 3D-реконструкции движений мухи. В 2021 году последовала разработка LiftPose3D — метода, позволяющего восстанавливать трехмерную позу животного по видеозаписи всего с одной камеры. Эти инструменты заложили технологический фундамент для более амбициозных проектов.
Архитектура виртуальной мухи
Модель NeuroMechFly — это не просто статичная 3D-модель. Это сложная вычислительная система, состоящая из независимых модулей, имитирующих различные части тела насекомого. В её структуру входят:
- Детализированный биомеханический экзоскелет с сочленениями.
- Модели всех ключевых частей тела: головы, шести ног, крыльев, сегментов брюшка, хоботка, антенн и жужжалец (хальтер) — специальных органов, помогающих мухе ориентироваться в полёте.
- Нейросетевые «контроллеры», которые генерируют двигательные команды, имитируя работу нервной системы.
Обратите внимание: Эволюция языка имеет черты эволюции биологических систем.
Научные цели и практическая ценность модели
Зачем создавать цифрового двойника дрозофилы?
«Как мы узнаем, что действительно понимаем живую систему? Один из критериев — способность её воссоздать», — рассуждает профессор Рамдья. «Создание роботизированной мухи — сложная инженерная задача. Виртуальная симуляция позволяет сделать это быстрее и служит идеальной платформой для проверки наших знаний. Основная цель — объединить всё, что мы знаем о нейробиологии и биомеханике мухи, в одной модели и проверить, достаточно ли этого для полного объяснения её поведения».
Учёный подчеркивает роль модели в формировании и проверке гипотез: «Раньше мы полагались на интуицию и логику. Современная нейронаука настолько сложна, что нам необходимы комплексные модели, способные объединить множество взаимодействующих компонентов. Такие модели могут симулировать поведение и предсказывать последствия тех или иных изменений в системе».
Валидация и будущее применение
Ключевым этапом работы стала проверка адекватности модели. «Мы провели серию валидационных экспериментов, которые подтвердили, что NeuroMechFly способен точно воспроизводить поведение реального животного», — заявил Рамдья. Только после этого модель можно считать достоверным испытательным стендом.
NeuroMechFly открывает новые горизонты для биомеханики, нейробиологии и биоробототехники. На этой платформе можно тестировать гипотезы о работе нейронных цепей, изучать принципы locomotion (передвижения) и проектировать next-generation роботов, вдохновленных эффективностью живой природы.
Источник тут
#наука #робот
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: NeuroMechFly: морфологически реалистичная биомеханическая модель мухи.