Международная группа ученых изобрела дистанционно управляемых тараканов-киборгов с крошечным модулем беспроводного управления, который питается от аккумулятора, а тот – от солнечной батареи. В планах исследователей – превратить в киборгов летающих насекомых.
Несмотря на механические устройства, сверхтонкая электроника и гибкие материалы позволяют насекомым свободно передвигаться. Эти достижения, о которых сообщалось в научном журнале npj Flexible Electronics 5 сентября, помогут сделать использование насекомых-киборгов практической реальностью.
Группа под руководством исследователей RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) пытались сконструировать насекомых-киборгов – наполовину насекомое, наполовину машину – для помощи в осмотре опасных зон и наблюдения за окружающей средой. Чтобы использование насекомых-киборгов было практичным, их операторы должны иметь возможность удаленно управлять ими в течение длительных периодов времени. Для этого требуется беспроводное управление сегментами их ног, питающееся от крошечной перезаряжаемой батареи. Аккумулятор должен быть заряжен надлежащим образом – никто не хочет, чтобы вокруг бродила внезапно вышедшая из-под контроля команда тараканов-киборгов. Хотя можно построить док-станции для подзарядки батареи, необходимость возвращаться и перезаряжаться может нарушить выполнение срочных миссий. Таким образом, лучшим решением является установка встроенной солнечной батареи, которая может постоянно обеспечивать заряд батареи.
Все это легче сказать, чем сделать. Чтобы успешно интегрировать эти устройства в таракана с ограниченной площадью поверхности, исследовательской группе потребовалось разработать специальный рюкзак, ультратонкие модули органических солнечных элементов и систему сцепления, которая удерживает механизмы прикрепленными в течение длительного периода времени, а также обеспечивает естественные движения.
Команда под руководством Кенджиро Фукуды из RIKEN CPR экспериментировала с мадагаскарскими тараканами, длина которых составляла примерно 6 см. Они прикрепили беспроводной модуль управления ногами и литий-полимерную батарею к верхней части грудной клетки насекомого с помощью специально разработанного рюкзака, который был смоделирован по образцу тела модельного таракана. Рюкзак был напечатан на 3D-принтере из эластичного полимера и идеально соответствовал изогнутой поверхности таракана, что позволяло надежно закрепить жесткое электронное устройство на грудной клетке более месяца.
Сверхтонкий модуль органических солнечных элементов толщиной 0,004 мм был установлен на дорсальной стороне живота. «Установленный на теле сверхтонкий модуль органических солнечных элементов обеспечивает выходную мощность 17,2 мВт, что более чем в 50 раз превышает выходную мощность современных устройств для сбора энергии на живых насекомых», говорит Фукуда.
Ультратонкий и гибкий органический солнечный элемент и то, как он был прикреплен к насекомому, оказались необходимыми для обеспечения свободы передвижения. Тщательно изучив естественные движения тараканов, исследователи поняли, что брюшко меняет форму, а части экзоскелета перекрываются. Чтобы приспособиться к этому, они чередовали клейкие и неклейкие участки на пленках, что позволяло им сгибаться, но при этом оставаться прикрепленными. Когда тестировались более толстые пленки солнечных элементов или когда пленки были равномерно прикреплены, тараканам требовалось вдвое больше времени, чтобы пробежать то же расстояние, и им было трудно выпрямиться, когда они лежали на спине.
Компоненты были интегрированы в тараканов вместе с проводами, которые стимулируют сегменты ног, новые киборги были протестированы. Аккумулятор заряжали псевдосолнечным светом в течение 30 минут, а животных заставляли поворачиваться влево и вправо с помощью беспроводного пульта дистанционного управления.
«Учитывая деформацию грудной клетки и брюшной полости во время основных движений, гибридная электронная система из жестких и гибких элементов в грудной клетке и сверхмягких устройств в брюшной полости кажется эффективной конструкцией для тараканов-киборгов», говорит Фукуда. «Поскольку деформация брюшной полости не является уникальной для тараканов, наша стратегия может быть адаптирована к другим насекомым, таким как жуки, или, возможно, даже к летающим насекомым, таким как цикады в будущем».
