تمكن العالم إيدان فيشل و زملاؤه من دمج أذن جرادة برقاقة إلكترونية لتعمل كمستقبل حسي سمعي لروبوت، مما أكسبه قابلية التفاعل مع العالم الخارجي، كان السبب في اختيار أذن كائن حي هو القدرة الرهيبة للحشرات على تطوير مستشعراتها البسيطة والحساسة لتتفوق على العديد من الأجهزة التي يصنعها الإنسان، رغم التحدي الكامن في استخراج الأذن والمستقبلات العصبية الخاصة بها من جسم الجرادة، مع الحفاظ على الأجهزة الحسية في وضع يمدد فترة حياتها، إضافة إلى معالجة الأصوات القادمة وتحليلها وتحريك الروبوت اعتماداً عليها، إلا أن فيشل نجح في تحقيق الفكرة بشكل مذهل باستخدام ما يدعى بتكنولوجيا ال "bio-hybrid".

اختار الباحثون طبلة أذن الجراد بسبب حساسيتها لمدى واسع من الترددات، مما يعني دقة أعلى على التمييز السمعي بين الأصوات، يقول دكتور مواز:

"اخترنا حاسة السمع لسهولة مقارنتها مع مثيلاتها التكنولوجية، على عكس حاسة الشم مثلاً، حيث أن التحدي فيها يكون أعظم وأكبر،...، كان الهدف الأساسي من التجربة هو استبدال الميكروفون الخاص بالروبوت بأذن ومستقبل حسي حقيقي حي (أي أذن الجرادة)، واستخدام قدرة الأذن على استقبال الأصوات وتحليلها من البيئة المحيطة ".

أساليب العمل والأدوات

تمت عملية استخراج الأذن والأعصاب الخاصة بها على عدد من المراحل الدقيقة باستخدام جرادات صحراوية بالغة، حيث خُدِّر الجراد ثم قطع رأسه وساقيه، ثم استؤصل البطن و فُتح القفص الصدري، وصولاً إلى طبلة الأذن و العصب السمعي، ثم وضعه في شريحه خاصة مليئه بمحلول ملحي للحفاظ على الأعضاء حية، سُجِّل نشاط العصب السمعي باستخدام مكبر صوت، ووضع ميكروفون بالقرب من الشريحة لاستخدامه كأداة تحكم.

عند التسجيل العصبي تم استخدام مضخم تيار مصمم خصيصا للتجربة مناسب للمستقبلات العصبية، حيث يتم تصفية التيار وتضخيمه مرتين، ويتكون الروبوت المستخدم في من محول ADC، و UpBoard، و microcontroller يقوم بتطبيق كود برمجي يحرك الروبوت للأمام عند التصفيق مرة واحدة، وللخلف عند التصفيق مرتين. حُلِّلت البيانات العملية بعد إجراء 29 تجربة على طبلة الجرادة، للحصول على عدد كافي من التسجيلات لنمط استجابة العصب السمعي.

النتائج

استطاع فيشل وفريقه صنع "Ear-on-a-chip" اعتمادا على شكل الجراد عن طريق عزل أذن الجرادة بطريقة تحافظ على سلامتها مع إبقاء العصب السمعي سليماً، وتم تصميم شريحة المايكروفلويد لتمكن الأذن والأعصاب من العيش بطريقة آمنة ولأطول فترة ممكنة، مع السماح للهواء والصوت والضغط بالدخول. كفاءة الشريحة كانت أيضاً في قدرتها على مواجهة التحدي المتمثل في الحصول على قياسات مستقرة أثناء تحرك الروبوت.

يتكون الروبوت من مكونين أساسيين : الأول ، نظام ال EMS الذي يسمح بتضخيم الإشارات الكهربية من أجل معالجتها من خلال وحدة التحكم و نظام معالجة الإشارات ال CSPS الذي يتكون من جزأين ،الأول لمعالجة الصور والذي يتضمن خوارزمية لتحديد عدد الأحداث الصوتية المميزة كالتصفيق مثلاً، والثاني وحدة التحكم بالمحركات.

في البداية كانت استجابة الروبوت عن طريق الاتصال بالميكرفون، حيث أن صفقة واحدة جعلت الروبوت يتحرك إلى الأمام، وصفقتين حركته إلى الخلف. استجابة الـ Ear-Bot بعد استبدال الميكروفون بأذن الجرادة للصوت كانت نفس استجابة الروبوت المتصل بالميكرفون عند التصفيق صفقة واحدة أو صفقتين، مما يشير إلى نجاح التجربة.

النقاش

هناك عدة أمور يجب أخذها بعين الاعتبار للحصول على Ear-Bot ناجح، منها: * استخدام جراد متوسط العمر (أسبوعين) لاحتوائها على دهون قليلة، وبالتالي يتم الوصول الى الجهاز العصبي واستخلاص الجهاز السمعي بسهولة، إضافة إلى أن استجابتها للترددات المنخفضة يكون أفضل من أي عُمرٍ آخر.

  • يجب الانتباه عند إزالة الجهاز السمعي من الجراد، خاصة كيس الهواء لأنه تدمره يؤثر على استجابة الأذن للترددات المنخفضة. البيئة الموضوعة بها الأذن، فالعصب السمعي حساس جداً ويجب أن يبقى في وسط مائي طوال الوقت.

  • من أجل تسهيل الاستجابة يجب تقليل الضوضاء من البيئة الخارجية، بالإضافة إلى الضوضاء النابعة من نفس الروبوت.

التطبيقات المستقبلية للروبوت

يمكن تطوير مفهوم الـ Bio-Hybrid من أجل استخدام أنظمة استشعار بيولوجية أخرى مثل حاسة الشم، كما و يمكن استخدامه للجمع بين عدد من أجهزة الاستشعار البيولوجية لإنتاج روبوت قادر على معالجة المدخلات المختلفة والذي يفتح آفاقاً جديدة لاستخدام هذه الروبوتات للاستشعار المسبق للمتفجرات و المواد الكيميائية و الزلازل.

المراجع

  • Fishel I, Amit Y, Shvil N, Sheinin A, Ayali A, Yovel Y, Maoz BM. Ear-Bot: Locust Ear-on-a-Chip Bio-Hybrid Platform. Sensors. 2021; 21(1):228.

  • Tel Aviv University. (2021, March 2). A Robot able to 'hear' through the ear of a locust. ScienceDaily. Retrieved March 22, 2021 from

ترجمة وتدقيق

من جامعة بوليتكنك فلسطين:

سهير الشريف - هندسة أنظمة الحاسوب - كلية تكنولوجيا المعلومات وهندسة الحاسوب

مي شبانة - علم حاسوب - كلية تكنولوجيا المعلومات وهندسة الحاسوب

نيفين ناصر الدين - علم حاسوب - كلية تكنولوجيا المعلومات وهندسة الحاسوب