Медузы вместо дронов: исследователи адаптировали стимуляцию к природному ритму медуз, создавая систему для отслеживания микропластика и изменений климата

Ученые из Университета Тохоку, Токийского университета и крупнейшего аквариума с медузами в мире Камо разработали инновационный метод управления движением медуз вида Aurelia coerulea, который способен изменить подходы к исследованию океанов. В ходе эксперимента, описанного в журнале Nature Communications, были использованы миниатюрные электроды, имплантированные в мышечное кольцо медуз. Они передавали импульсы каждые 1,5–2 секунды, соответствующие естественному ритму сокращений, что увеличивало скорость их плавания на 35–40% без негативного воздействия на животных.

Для отслеживания движений исследователи применили ультрафиолетовые метки (VIE-теги) и систему из трех камер, преобразующую записи в 3D-траектории с помощью алгоритма DeepLabCut. Анализ данных выявил самоорганизованную критичность — свойство, при котором случайные движения медуз (повороты, остановки) подчиняются законам, схожим с поведением частиц в лавине. Это объясняет их способность адаптироваться к течениям и препятствиям.

На основе этих наблюдений команда разработала гибридную модель, основанную на методе Reservoir Computing — машинного обучения, где тело медузы служит физическим «резервуаром» для обработки данных через взаимодействие с водой, а цифровая нейросеть Echo State Network усиливает модель. Алгоритм предсказывал скорость движения с точностью до 82% и направление даже при изменении ориентации. «Сигналы, не синхронизированные с естественным ритмом, вызывали хаотичные рывки. Оптимальные импульсы способствовали плавности движений», — отметил руководитель проекта Даи Оваки.

Технология также позволяет управлять направлением: стимуляция определенных мышечных зон заставляет медуз двигаться в сторону активированных электродов. Это открывает перспективы использования медуз для мониторинга ключевых климатических показателей, таких как изменения температуры и солености воды; обнаружения скоплений микропластика на глубинах, недоступных большинству датчиков; и надзора за состоянием коралловых рифов без риска их повреждения подводными аппаратами с винтами.

Система потребляет менее 1 Вт энергии, а её алгоритмы функционируют на простых микроконтроллерах. Однако ограничениями являются вес оборудования: провода и электроды усложняют маневренность медуз. Следующие шаги включают замену проводных элементов на беспроводные датчики и тесты в открытом море.

Источник: iXBT