Un model biomecanic morfologic realist al unei muște

NeuroMechFly, primul „geamăn digital” precis al muștei Drosophila melanogaster, oferă un pat de testare foarte valoros pentru studiile care avansează biomecanica și biorobotica. Acest lucru ar putea ajuta la deschiderea drumului pentru roboți asemănătoare muștelor, precum cel din imaginea de aici. Credit: EPFL

Un geamăn digital al Drosophila

„Am folosit două tipuri de date pentru a construi NeuroMechFly”, explică profesorul Pavan Ramdya de la Facultatea de Științe ale Vieții de la École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). „În primul rând, am luat o muscă adevărată și am efectuat o scanare CT pentru a construi un model biomecanic morfologic realist. A doua sursă de date au fost mișcările efective ale membrelor muștei, obținute folosind software-ul de estimare a poziției pe care l-am dezvoltat în ultimii doi ani și care ne permite să urmărim cu exactitate mișcările animalului.

Grupul lui Ramdya, în colaborare cu grupul Prof. Auke Ijspeert de la Laboratorul de Biorobotică EPFL, publică un articol astăzi (11 mai 2022) în jurnal Metode naturale prezentând primul „geamăn digital” precis al muștei Drosophila melanogastersupranumit „NeuroMechFly”.

timpul trece

Drosophila este cea mai frecvent utilizată insectă în științele vieții și un accent pe termen lung al propriilor cercetări ale lui Ramdya, care lucrează de ani de zile la urmărirea și modelarea digitală a acestui animal. În 2019, grupul său a lansat DeepFly3D, un software de captare a mișcării bazat pe învățarea profundă care utilizează mai multe vizualizări ale camerei pentru a cuantifica mișcările camerei. Drosophila în spațiul tridimensional.

Continuând învățarea profundă, în 2021, echipa lui Ramdya a publicat LiftPose3D, o metodă de reconstrucție a ipostazei animalelor 3D din imagini 2D luate de la o singură cameră. Aceste tipuri de descoperiri au oferit domeniilor explozive ale neuroștiinței și roboticii inspirate de animale instrumente a căror utilitate nu poate fi exagerată.

NeuroMechFly

Un model digital de Drosophila melanogaster numit NeuroMechFly. Credit: Pavan Ramdya (EPFL)

În multe privințe, NeuroMechFly reprezintă punctul culminant al tuturor acestor eforturi. Constrâns de datele morfologice și cinematice din aceste studii anterioare, modelul are părți independente de computer care simulează diferite părți ale corpului insectei. Acesta include un exoschelet biomecanic cu părți ale corpului articulate, cum ar fi capul, picioarele, aripile, segmentele abdominale, proboscis, antene, haltere (organe care ajută musca să-și măsoare propria orientare în zbor) și „controlere” rețelei neuronale cu un motor. ieșire.

De ce să construiți un geamăn digital de Drosophila?

„De unde știm că am înțeles un sistem? spuse Ramdia. „O modalitate este să o poți recrea. Am putea încerca să construim o muscă robotică, dar este mult mai rapid și mai ușor să construim un animal simulat. Una dintre principalele motivații ale acestei lucrări este, prin urmare, de a începe construirea unui model care să integreze ceea ce știm despre sistemul nervos și biomecanica muștei pentru a testa dacă acest lucru este suficient pentru a explica comportamentul acesteia.

„Când experimentăm, suntem adesea conduși de presupuneri”, adaugă el. „Până acum, ne-am bazat pe intuiție și logică pentru a formula ipoteze și predicții. Dar, pe măsură ce neuroștiința devine din ce în ce mai complicată, ne bazăm mai mult pe modele care pot aduna multe componente împletite, le pot juca și prezice ce s-ar putea întâmpla dacă faceți o ajustare aici sau acolo.

Patul de testare

NeuroMechFly oferă un banc de testare foarte valoros pentru studiile care avansează biomecanica și biorobotica, dar numai în măsura în care reprezintă cu exactitate animalul real într-un mediu digital. Verificarea acestui lucru a fost una dintre principalele preocupări ale cercetătorilor. „Am efectuat experimente de validare care demonstrează că putem reproduce cu fidelitate comportamentele animalului real”, spune Ramdya.

Cercetătorii au făcut mai întâi măsurători 3D ale muștelor reale care se plimbă și se îngrijesc. Apoi au reluat aceste comportamente folosind exoscheletul biomecanic NeuroMechFly într-un mediu de simulare bazat pe fizică.

Echipa de cercetare NeuroMechFly

Jonathan Arreguit, Victor Lobato Rios, Auke Ijspeert, Pavan Ramdya, Shravan Tata Ramalingasetty și Gizem Özdil. Credit: Alain Herzog (EPFL)

După cum arată în articol, modelul poate prezice de fapt diferiți parametri de mișcare care nu sunt măsurați altfel, cum ar fi cuplurile la picioare și forțele de reacție de contact cu solul. În cele din urmă, au reușit să folosească toate capacitățile neuromecanice ale NeuroMechFly pentru a descoperi rețeaua neuronală și parametrii musculari care permit muștei să „alergă” în moduri care sunt optimizate atât pentru viteză, cât și pentru stabilitate.

„Aceste studii de caz ne-au întărit încrederea în model”, spune Ramdya. „Dar suntem mai interesați de momentul în care simularea nu reușește să reproducă comportamentul animalului, indicând modalități de îmbunătățire a modelului”. Astfel, NeuroMechFly reprezintă un puternic banc de testare pentru înțelegerea modului în care comportamentele apar din interacțiunile dintre sistemele neuromecanice complexe și mediul lor fizic.

Un efort comunitar

Ramdya subliniază că NeuroMechFly a fost și va continua să fie un proiect comunitar. Ca atare, software-ul este open source și disponibil gratuit pentru ca oamenii de știință să îl folosească și să îl modifice. „Am construit un instrument, nu numai pentru noi, ci și pentru alții. Prin urmare, l-am făcut open source și modular și oferim îndrumări cu privire la modul de utilizare și modificare.

„Din ce în ce mai mult, progresul științific depinde de efortul comunității”, adaugă el. Este important ca comunitatea să folosească modelul și să-l îmbunătățească. Dar unul dintre lucrurile pe care NeuroMechFly le face deja este să ridice ștacheta. Înainte, pentru că modelele nu erau foarte realiste, nu ne întrebam cum puteau fi informate direct prin date. Aici am arătat cum puteți face acest lucru; puteți lua acest model, puteți relua comportamentele și puteți deduce informații semnificative. Deci cred că este un mare pas înainte.

Referință: „NeuroMechFly, un model neuromecanic al adultului Drosophila melanogaster” de Victor Lobato Ríos, Shravan Tata Ramalingasetty, Pembe Gizem Özdil, Jonathan Arreguit, Auke Jan Ijspeert și Pavan Ramdya, 11 mai 2022, Metode naturale.
DOI: 10.1038/s41592-022-01466-7

Add Comment