Fruitvliegjes lijken geschikt als basisplatform om microrobots van te maken. Ze zijn in ieder geval behoorlijk goed te sturen.

 

Met de zomer in aantocht zullen we ze weer vaker aantreffen in de keuken: fruitvliegjes. Maar behalve een bron van irritatie in niet zo hygiënische keukens is het minuscule vliegje ook al jarenlang de lieveling van wetenschappers. Drosophila melanogaster, zijn officiële naam, is een van de organismen waaraan relatief gemakkelijk wetenschappelijk onderzoek te doen is.

Fruitvliegje als microrobot

Nu komt daar een mogelijke toepassing bij. Want het lijkt erop dat het fruitvliegje een veelbelovende nieuwe rol kan krijgen als microrobot. Dat blijkt uit onderzoek aan Harvard University in de Verenigde Staten. Wetenschappers daar laten zien dat fruitvliegjes vrij betrouwbaar vooraf bedachte routes kunnen afleggen door ze met externe prikkels te sturen. Ook kunnen fruitvliegjes ladingen tot een milligram zwaar over afstanden van soms honderden meters transporteren. De onderzoekers schrijven over hun bevindingen in een artikel in PNAS (The Proceedings of the National Academy of Sciences), dat deze week verscheen.

Enkele millimeters groot

Vergeet even de robots ter grootte van een mens of een hond. Ingenieurs werken ook aan robotische systemen van hooguit enkele millimeters groot. Belangrijkste voordelen van zulke microrobots is dat ze op plekken kunnen komen die voor grote robots ontoegankelijk blijven. Microrobots zullen bijna altijd in grote groepen functioneren; als zwerm, vandaar dat ook wel de naam swarm robotics wordt gebezigd.

Reddingsoperaties in rampgebieden

Voor microrobots zijn tal van toepassingen te bedenken. Denk bijvoorbeeld aan het continu doen van metingen aan de luchtkwaliteit, of aan precisielandbouw, waar ze kunnen helpen bij het bestuiven van planten of het verzamelen van belangrijke gegevens, zonder impact te hebben op de gewassen. En een voorbeeld dat altijd wordt genoemd: bij reddingsoperaties in rampgebieden zouden microrobots onder het puin of in krappe ruimten overlevenden kunnen zoeken of structurele schade kunnen beoordelen.

Evolutie

Om de zeer kleine robots te bouwen kunnen ingenieurs grofweg twee dingen doen: ofwel helemaal van de grond af een microrobot ontwerpen en in elkaar zetten, ofwel gebruikmaken van kleine insecten en die op een slimme manier proberen te besturen. De tweede aanpak heeft als groot voordeel dat een insect dankzij de evolutie al een heleboel functies voor elkaar heeft. Een fruitvlieg van slechts 2,5 millimeter lang kan vliegen, lopen, eten en waarnemen; allemaal functies die de robotmaker cadeau krijgt. Die hoeft vervolgens ‘alleen nog maar’ sensoren, een processor en een antenne op het insect te plakken, voor het doorsturen van meetgegevens.

Tekening van Drosophila melanogaster, de fruitvlieg, die 2,5 millimeter lang en 1,5 millimeter breed is. Illustratie: Depositphotos

Zwarte en blauwe banen

De uitdaging wordt vervolgens: hoe kun je een fruitvlieg besturen? Daarop richtte het onderzoek van de Harvard-wetenschappers zich. Ze testten twee manieren om een lopend fruitvliegje (we zien ze altijd vliegen, maar ze schijnen een groot deel van de tijd te wandelen) naar links of rechts te laten afslaan. De eerste methode is door een schijf met afwisselende zwarte en blauwe banen onder het insect door te laten draaien. Een fruitvlieg reageert op zijn omgeving door continu rond te kijken, en stuurt bij als zijn visuele omgeving verandert. Op die manier is een fruitvlieg vrij betrouwbaar links- of rechtsaf te sturen, zo blijkt. Een testroute van punt A naar B legden de proefvliegen af met een betrouwbaarheid van 94 procent.

Prikkelen met optische signalen

De tweede manier om een fruitvlieg te besturen is met geur. Het beestje heeft twee antennes op zijn kop die geuren waarnemen, en als de rechtse antenne de geur sterker waarneemt dan de linker, dan stuurt de vlieg naar rechts. Deze eigenschap hebben de onderzoekers benut; niet door te testen met geuren, maar door de antenne te prikkelen met optische signalen. Hoe dat precies werkt, voert wat ver, maar staat beschreven in het PNAS-artikel. Door de fruitvliegen in de experimenten met rood en blauw licht te prikkelen, bleken ze met 95 procent betrouwbaarheid te navigeren.

‘Hello world’

Dat dit een behoorlijk precieze besturing van lopende fruitvliegjes mogelijk maakt, demonstreren de onderzoekers door de insecten ‘Hello world’ te laten spellen. Dat is een zinsnede die in de wereld van de computerprogrammeurs dient om de demonstreren dat iets werkt. De fruitvliegen uit de experimenten werden gestuurd in de juiste richting om de gewenste letters te beschrijven. Een camera volgde de vooruitgang van boven en wanneer het vliegje afweek van de route werd het bijgestuurd door het benodigde lichtsignaal (‘sla linksaf’ dan wel ‘rechtsaf!’).

Verplaatsen van materiaal

Behalve besturing testten de onderzoekers nog andere functies. Zo lieten ze fruitvliegen tegen een bal duwen die groter was dan zijzelf. De mogelijke toepassing hiervan in de toekomst is het verplaatsen van kleine hoeveelheden materiaal. Hetzelfde geldt voor de proeven waarbij de fruitvliegen kleine gewichten aan hun lijf gebonden kregen. Dit ging goed tot ongeveer een milligram, ongeveer evenveel als het vliegje zelf weegt.

Redelijk te besturen

Het is duidelijk dat er nog veel onderzoek nodig is voordat fruitvliegjes nuttig kunnen worden gebruikt. Maar deze resultaten laten wel alvast zien dat de insecten redelijk te besturen zijn. In geen enkele van de proeven werd een honderd procent resultaat behaald – ook fruitvliegjes doen soms waar ze zelf zin in hebben – maar dat hoeft misschien ook helemaal niet. Als het grootste deel van een zwerm ‘robotvliegjes’ maar doet waar ze voor dienen.

 

Openingsfoto: twee fruitvliegjes op een grasspriet. Foto: Depositphotos