Группе ученых удалось соединить электронные компоненты с нервной системой мадагаскарских тараканов, чтобы взять под контроль их движения. Это дистанционное управление достигается путем стимуляции церциев (придатков на конце брюшка) насекомых. В один прекрасный день эта технология может быть использована для поисково-спасательных операций в городских районах, мониторинга окружающей среды или осмотра опасных зон.
Это не первый случай, когда команда разрабатывает таких роботизированных насекомых. Однако предложенные до сих пор устройства имеют ограниченную функциональность и диапазон действия из-за доступной энергии. Фактически, дистанционное управление подразумевает использование батареек, которые обязательно имеют ограниченный объем и вес, учитывая размеры насекомых. Одна из стратегий заключается в том, чтобы вернуть насекомое-киборга в зону подзарядки до того, как его батарея разрядится, но этот подход непрактичен (особенно в условиях чрезвычайной ситуации).
Альтернативой является добавление устройства для сбора энергии непосредственно к насекомому в виде ферментного биотопливного элемента. Но самая высокая мощность, полученная таким способом, составляет 333 мкВт (микроватт). Однако для управления беспроводной локомоцией (как и для других продвинутых функций) требуется несколько милливатт. Поэтому японская команда из RIKEN придумала использовать солнечный элемент, который может генерировать 10 мВт/см2 или даже больше в солнечную погоду. Спроектированный ими ультратонкий органический солнечный модуль достиг выходной мощности 17,2 мВт.
Устройство, которое идеально адаптируется к морфологии насекомого
Исследователи создали дистанционно управляемых тараканов-киборгов, оснащенных беспроводным модулем управления, питающимся от аккумулятора, прикрепленного к солнечной батарее. Используемые насекомые, мадагаскарские тараканы (Gromphadorhina portentosa), могут достигать 6-7 сантиметров в длину, поэтому команде пришлось разработать крошечное носимое устройство, содержащее все необходимые компоненты, которое надежно крепилось бы к спине насекомого, не мешая его естественным движениям.
Для этого они использовали 3D-печатную модель таракана с эластичным полимером. Их конечный продукт выглядит как небольшой рюкзак, который идеально прилегает к изогнутой поверхности насекомого и может оставаться стабильным на грудной клетке более месяца; он включает в себя беспроводной модуль управления и литий-полимерный аккумулятор. Ультратонкий (толщиной 4 мкм) органический солнечный элемент был установлен на задней части брюшка; его вес на эффективную площадь составляет примерно 5 г/м2.
Используемые гибкие материалы и ультратонкие электронные устройства совершенно не мешают движениям тараканов. Чтобы убедиться в этом, ученые внимательно изучили естественные движения этих насекомых: оказалось, что их брюшко меняет форму, а части экзоскелета перекрываются во время движения. Чтобы учесть это, на пленках солнечных элементов они разместили клейкие и неклейкие участки, сделав их одновременно фиксированными и гибкими.
Ранее они испытывали более толстые или равномерно прикрепленные пленки, но тараканам требовалось в два раза больше времени, чтобы преодолеть то же расстояние, и им было трудно выпрямиться, когда они лежали на спине. «Комбинация электроники из ультратонкой пленки и переплетающейся структуры «клейкое — не клейкое» на брюшке насекомого показала более 80% успеха в попытках самовыпрямления«, — сообщают исследователи в журнале .
Уже предусмотрено добавление датчиков и камер
Оснащенные таким образом, насекомые-киборги были протестированы: батарея заряжалась имитацией солнечного света в течение 30 минут, и тараканов заставили поворачиваться влево и вправо с помощью беспроводного пульта дистанционного управления. Электрические импульсы, подаваемые на церки насекомого — два придатка на конце брюшка, которые являются сенсорными нервами — побуждают таракана двигаться в определенном направлении.
Устройство оказалось полностью работоспособным. «Закрепленный на теле ультратонкий модуль органических солнечных батарей достигает мощности 17,2 мВт, что более чем в 50 раз выше, чем мощность существующих устройств сбора энергии на живых насекомых«, — сказал Кенджиро Фукуда, возглавлявший группу.
Измеренное энергопотребление беспроводной системы управления локомоцией составило 73,3 мВт. После полной зарядки аккумулятор (40 мА ч) проработал около двух часов. «В нынешней системе большая часть потребляемой энергии расходовалась на беспроводную связь. Регулируя интервалы связи, можно продлить срок службы батареи«, — отмечают исследователи в своей работе.
Планируется дальнейшее усовершенствование, прежде чем эта армия тараканов-киборгов будет отправлена на задание. Текущая система имеет только беспроводную систему управления локомоцией, что недостаточно для подготовки к такому применению, как городское спасение. «Интегрировав другие необходимые устройства, такие как датчики и камеры, мы сможем использовать наших насекомых-киборгов для подобных целей«, — сказал Фукуда в интервью CNET. Однако эти компоненты требуют больших затрат энергии.
Фукуда также отметил в своем заявлении, что деформация брюшка не является уникальной для тараканов, поэтому в будущем стратегия может быть адаптирована к другим насекомым, таким как жуки, или, возможно, даже к летающим насекомым, таким как цикады.