Медузы вместо дронов: учёные синхронизировали стимуляцию с естественным ритмом медуз, создав систему для мониторинга микропластика и климата

Исследователи из Университета Тохоку, Токийского университета и самого большого аквариума с медузами в мире Камо разработали метод управления движением медуз вида Aurelia coerulea, который может изменить подход к изучению океана. В эксперименте, описанном в журнале Nature Communications, миниатюрные электроды, вживлённые в мышечное кольцо медуз, каждые 1,5–2 секунды подавали импульсы, совпадающие с естественным ритмом сокращений. Это позволило увеличить скорость плавания на 35–40% без стресса для животных.

Для отслеживания движений учёные использовали ультрафиолетовые метки (VIE-теги) и систему из трёх камер, преобразуя записи в 3D-траектории с помощью алгоритма DeepLabCut. Анализ данных выявил самоорганизованную критичность — свойство, при котором случайные движения медуз (повороты, остановки) подчиняются законам, похожим на поведение частиц в лавине. Это объясняет их способность адаптироваться к течениям и препятствиям.

На основе этих наблюдений команда создала гибридную модель на базе Reservoir Computing — метода машинного обучения, где тело медузы выступает физическим «резервуаром» для обработки данных через взаимодействие с водой, а цифровая нейросеть Echo State Network дообучает модель. Алгоритм предсказывал скорость движения с точностью до 82% и направление даже при смене ориентации. «Сигналы, не синхронные с естественным ритмом, вызывали хаотичные рывки. Оптимальные импульсы усиливали плавность движений», — отметил руководитель проекта Даи Оваки.

Технология также позволяет управлять направлением: стимуляция определённых участков мышц заставляет медуз двигаться в сторону активных электродов. В перспективе это позволит использовать их для: отслеживания изменений температуры и солёности воды — ключевых показателей климатических исследований; обнаружения скоплений микропластика на глубинах, недоступных большинству датчиков; мониторинга здоровья коралловых рифов без риска повредить их винтами подводных аппаратов.

Система потребляет менее 1 Вт энергии, а её алгоритмы работают на простых микроконтроллерах. Однако текущие ограничения включают вес оборудования: провода и электроды замедляют манёвренность медуз. Следующие шаги — замена проводных компонентов на беспроводные датчики и испытания в открытом океане.

 Источник: Nature Communications