Ученым удалось соединить электронные компоненты с нервной системой тараканов из Мадагаскара для управления их движением. Такое дистанционное управление достигается путем стимуляции церциев насекомых. В будущем эту технологию могут применять для поисково-спасательных работ в городских районах, контроля за окружающей средой или осмотра опасных зон.
Разработка роботизированных насекомых не нова. Но существующие устройства обладают ограниченным функционалом и радиусом действия из-за энергоемкости. Дистанционное управление традиционно осуществляется с помощью батареек, которые по объему и весу ограничены в связи с размерами насекомых. Возможный вариант – вернуть киборга на док-станцию перед разрядкой батареи, но такой подход непрактичен, особенно во время чрезвычайных ситуаций.
Альтернатива — добавление устройства для сбора энергии к насекомому, например, ферментного биотопливного элемента. Но наибольшая мощность, полученная таким способом, составляет всего 333 мкВт. Для управления беспроводной локомоцией (а также другими продвинутыми функциями) требуется несколько милливатт. Поэтому японская команда из RIKEN предложила использовать солнечный элемент, который может генерировать 10 мВт/см2 и даже больше в ясную погоду. Проектированный ими ультратонкий органический солнечный модуль достиг выходной мощности 17,2 мВт.
Приспособление, прекрасно соответствующее строению насекомого.
Ученые разработали дистанционно управляемых киборгов-тараканов, снабженных беспроводным модулем управления, работающим на аккумуляторе, подзаряжаемом солнечной батареей. Для этого использовали мадагаскарских тараканов (Gromphadorhina portentosa), которые могут достигать 6-7 сантиметров в длину. Поэтому пришлось создать компактное устройство с необходимыми компонентами, которое крепилось бы на спине насекомого и не мешало его движениям.
Для этого использовали 3D-печатную модель таракана из эластичного полимера. Конечный продукт напоминает маленький рюкзак, который плотно прилегает к изогнутой поверхности насекомого и может оставаться стабильным на грудной клетке более месяца. В него входит беспроводной модуль управления и литий-полимерный аккумулятор. Ультратонкий (толщиной 4 мкм) органический солнечный элемент разместили на задней части брюшка; вес его на эффективную площадь составляет примерно 5 г/м². 2.
Гибкие материалы и ультратонкие электронные устройства никак не мешают тараканам передвигаться. Для этого ученые изучили естественное движение насекомых: брюшко меняет форму, а части экзоскелета перекрываются во время ходьбы. С учётом этого на пленках солнечных элементов разместили клейкие и неклейкие участки, сделав их одновременно фиксированными и гибкими.
Ранее использовались более толстые или равномерно прикреплённые пленки, однако тараканам для прохождения того же расстояния требовалось вдвое больше времени, а выпрямиться после падения на спину оказывалось затруднительно. Способ, основанный на комбинации электроники из ультратонких пленок и переплетенной структуре «клейкое — не клейкое», размещенной на брюшке насекомого, достиг более чем 80% успешности в задачах по самовыправлению. «, — сообщают исследователи в журнале .
Уже предусмотрено добавление датчиков и камер
С таким оснащением киборг-насекомые прошли испытания: батарею заряжали имитацией солнечного света в течение 30 минут, а тараканов заставляли поворачиваться влево и вправо с помощью пульта дистанционного управления. Электронные импульсы, подаваемые на церки насекомого — два придаттка на конце брюшка, являющихся сенсорными нервами, побуждали таракана двигаться в заданном направлении.
Устройство оказалось полностью работоспособным. «Модуль из органических солнечных батарей, закреплённый на теле, обеспечивает мощностью 17,2 мВт, превосходящий по этому показателю существующие устройства захвата энергии с живых насекомых более чем в 50 раз. — заявил Кенджиро Фукуда, руководивший группой.
Потребительская энергия беспроводной системы управления локомотивом оказалась равна 73,3 милливатт. Заряженный аккумулятор на 40 миллиампер-часов работал приблизительно два часа. В существующей системе большую часть энергии потребляет беспроводная связь. Регулирование интервалов связи может увеличить время работы батареи. «, — отмечают исследователи в своей работе.
Перед выполнением задания этот отряд киборг-тараканов потребует доработки. Его нынешняя система управления движением работает без проводов, но это не подходит для задач типа спасения города. Интегрировав необходимые устройства, например датчики и камеры, используем насекомых-киборгов для этих задач. — заявил Фукуда в интервью CNET. Но эти комплектующие нуждаются во многом больше электроэнергии.
Фукуда также указал, что искривление брюшка не характерно только для тараканов, и поэтому данная стратегия в будущем может быть приспособлена для других насекомых, например, жуков или, возможно, даже летающих насекомых, таких как цикады.