Специалисты создали крошечный водолазный скафандр методом трехмерной печати. Эта конструкция даёт возможность тараканам, оснащённым кибернетическими компонентами, дышать под водой и свободно перемещаться, а также функционировать в среде с дефицитом кислорода на протяжении трёх часов. Данное достижение способно значительно увеличить потенциал подобных комбинированных систем при проведении поисково-спасательных мероприятий в зонах затопления, и, возможно, даже пригодится для изучения других планет.

В противоположность обычным роботам, тараканы-киборги являются гибридными конструкциями. Они объединяют живой организм с электронным оборудованием. В структуру насекомого интегрируются миниатюрные электронные блоки управления, которые обеспечивают возможность удалённого контроля над его перемещениями. Движение осуществляется посредством собственных мышечных волокон насекомого, что приводит к значительно меньшему расходу энергии по сравнению с полностью роботизированными устройствами.

Данный метод обладает рядом существенных достоинств. Традиционные роботы требуют мощных источников питания для работы приводов и исполнительных механизмов, что увеличивает их вес и сокращает продолжительность автономной деятельности. Киборги же используют естественную мускулатуру и обладают способностью самостоятельно получать энергию из потребляемой пищи, тем самым снижая требования к электронным компонентам и источникам энергии.

В последние годы исследователи активно изучают возможности применения насекомых-киборгов для решения сложных задач. К ним относятся поиск людей под обломками после катастроф, изучение опасных объектов и проникновение в труднопроходимые места. Благодаря своим небольшим габаритам и высокой маневренности такие существа могут двигаться там, где человеку или большому роботу пройти практически нереально.

Тем не менее, до сих пор основным препятствием являлась структура органов дыхания насекомых. Тараканы, как и многие их сородичи, например саранча, осуществляют газообмен посредством крошечных отверстий – трахей, расположенных по бокам груди. Воздух через эти проходы попадает в систему трахеи, где происходит обмен газами. В условиях погружения под воду или при недостатке кислорода подобный способ дыхания становится неэффективным.

Для преодоления этой трудности инженеры из Наньянского технологического университета (Сингапур) в сотрудничестве с японскими коллегами из Университета Васэда создали эластичный миниатюрный водолазный комплект, предназначенный для тараканов-киборгов.

Хиротаки Сато, руководитель данной разработки и сотрудник Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии Наньянского технологического университета, подчеркнул значимость этой технологии в практических спасательных миссиях. Он отметил, что после сильных дождей и наводнений доступ к пострадавшим часто затруднен из-за затопленных обломков, канализационных коллекторов и тесных проходов. Расширение функциональности киборгов-насекомых позволит применять их в подводной среде, что может значительно улучшить результативность поисковых мероприятий.

Компактный костюм включает три ключевые составляющие: устройство для генерации кислорода, эластичную водонепроницаемую оболочку и четыре силиконовые трубки, доставляющие кислород непосредственно к отверстиям дыхания насекомого. Эта конструкция формирует независимый комплекс, который одновременно оберегает таракана от проникновения воды в органы дыхания и гарантирует непрерывную подачу необходимого объема кислорода.

Контейнер был создан с использованием технологии трехмерной печати из полимера на основе акриловой смолы. В его полости находится пористая структура, пропитанная диоксидом марганца – веществом, выступающим в роли катализатора для химического процесса. После добавления небольшого объема разведенного пероксида водорода начинается постепенное высвобождение кислорода. Затем отверстие запечатывается ультрафиолетовым составом, исключающим возможность вытекания содержимого.

Образующийся кислород по силиконовым трубопроводам направляется непосредственно к дыхательным отверстиям насекомого, обеспечивая ему способность дышать как в водной среде, так и на суше.

Соавтор научной работы Синдзиро Умэдза из Университета Васэда подчеркнул, что ключевой инженерной задачей было разработать конструкцию, которая сочетала бы небольшие размеры, малый вес и эластичность для комфортного ношения насекомым, одновременно гарантируя достаточный объем вырабатываемого кислорода для продолжительного нахождения под водой.

Для оценки работоспособности новой системы исследователи использовали мадагаскарских шипящих тараканов (Gromphadorhina portentosa), часто используемых в экспериментах с кибернетическими насекомыми из-за их значительных габаритов, высокой устойчивости к неблагоприятным условиям и отсутствия летательных способностей. По утверждению ученых, установка и удаление дыхательной трубки не вызывали у представителей вида каких-либо признаков травмирования.

Тестирования осуществлялись в специально созданных пластиковых конструкциях туннельного типа, которые воспроизводили различные сценарии использования. Среди них были полностью погруженные проходы и помещения, наполненные углекислым газом для имитации атмосферы с дефицитом кислорода.

Полученные данные свидетельствуют о том, что кибернетизированные тараканы способны непрерывно двигаться под водой на глубине приблизительно 30 сантиметров в течение трех часов без каких-либо негативных последствий для их биологии. Их скорость передвижения составляла 78,4 миллиметра за секунду, что немного уступает – примерно на 10 миллиметров в секунду – средней скорости перемещения по суше.

Разработчики подчеркивают, что подобные устройства уже применялись для демонстрации возможностей поисково-спасательных работ. Например, они были вовлечены в тренировочные мероприятия Lionheart после разрушительного землетрясения магнитудой 7,7 баллов, которое произошло в Мьянме в прошлом году. В настоящее время ученые также ведут разработку технологий для использования кибернетических насекомых при осмотре объектов инфраструктуры и планируют провести испытания нового водолазного снаряжения в условиях, максимально воспроизводящих реальные чрезвычайные ситуации.

Ученые предполагают, что данная технология может быть адаптирована и для других видов кибернетических насекомых, таких как саранча, учитывая сходство строения их дыхательных систем с таковыми у тараканов.

Более того, Хиротака Сато подчеркнул, что замысел данной разработки простирается за рамки нашей планеты. Он отметил, что данная технология может послужить отправной точкой для формирования некоего подобия «космических защитных оболочек» для насекомых с кибернетическими компонентами, которые в будущем могут быть применены во время изучения марсианской поверхности и других планет.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.