Біоінженерія комах-кіборгів

Чимало експериментатори поламали голови над оптимальною системою управління комахами. У 2008 році група під керівництвом Майкла Махарбіца (Michel Maharbiz) показала громадськості перші успіхи: сигнали, що подаються на імплантовані в жуків електроди, змушували останніх починати або припиняти махати крилами (в залежності від полярності напруги).

Ранні досліди з жуками-кіборгами в університеті Каліфорнії (кадри Maharbiz Research Group).

У перших дослідах жуки були закріплені нерухомо, а сигнали посилалися по проводках. Далі вчені зуміли відв`язати своїх підопічних: крихітні схеми управління навчилися поміщати на самих комах. При цьому подачею імпульсів на окремі м`язи, а також - за допомогою смужки світлодіодів, розташованої перед очима літаючої істоти, дослідники навчилися ставити жука напрямок руху.

Але послідовність команд була зашита в пам`яті мікросхеми, так що комаха могло виконувати лише жорстко прописаний "план польоту". Щоб отримати справжнє ДУ, потрібно було додати радіоканал. А це збільшувало вагу електроніки, що загрожувало справжнім тупиком.

І ось на початку 2009 року об`єднана команда двох університетів порадувала продовженням теми: вперше були "створені" літаючі комахи-кіборги з радіоуправлінням.

Комплекс дистанційного керування жуком (спрощено): a) жук-кіборг, b) ноутбук з приєднаним через USB радіопередавачем, c) приймач, d) антена, e) стимулюючі правий і лівий "лобові" електроди, f) літальні м`язи g) контрелектрод (фотографії MEMS 2009 Technical Digest).

В кінці січня американські умільці виступили в Італії на міжнародній конференції по мікроелектромеханічних систем IEEE MEMS 2009. Представляв роботу один з її авторів Хіротака Сато (Hirotaka Sato).

Відео: # 8 Новини аватар-технологій / Роботи-комахи, бионические протези рук, бактерії-кіборги і т.п

Жуки-носороги (Mecynorrhina torquata), Використані в даному експерименті, налічували від 4 до 8 сантиметрів в довжину і важили від 4 до 10 грамів. Їм імплантували шість електродів в м`язи і "мізки", А команди на зліт, посадку або розворот тепер могли подаватися на відстані - з ноутбука.

Для цього автори дослідження зібрали крихітні контролюючі пристрої, які перетворювали команди, що приймаються по радіоканалу, в електричні імпульси, що подаються на електроди. Ці контролери і наклеїли на спини піддослідним створінням.

Керуючий пристрій, вид зверху і знизу. Незвичайні приборчики були зібрані з електронних компонентів від ряду відомих промислових компаній, зокрема Texas Instruments (фотографії MEMS 2009 Technical Digest).

Плата з мікросхемою, приймач, що працює на частоті 2,4 ГГц, дипольні антени, акумулятор на 8,5 мілліамперчаса - така вийшла ноша жуків-кіборгів. А потягнула вона всього на 1,33 грама, що менше граничної вантажопідйомності жука-носорога, який може злетіти з трьома грамами "на борту". Це, до речі, одна з причин, за якими для нових дослідів вибрали даних створінь: не кожен жук підніме навіть такий крихітний електронний модуль.

В середньому через півсекунди після електростимуляції відповідного нерва жуки піднімалися в повітря. Імовірність успіху при натисканні на ноутбуці кнопки "зліт" склала 97% (29 виконаних команд з 30 спроб). У самому ж польоті жуки успішно маневрували за розпорядженнями вчених (виконувалися прості сигнали "вправо" і "вліво").

Причому, як виявилося, для впевненої корекції курсу не було потрібно світити в правий або лівий очей створення білими світлодіодами (як в минулому році), досить було просто подавати електричні імпульси відразу в зорові ділянки нервової системи.

Дослідники вважають, що жуки можуть зіграти роль універсальних платформ для різноманітних датчиків, в тому числі - мікроскопічних відеокамер. Тут знову-таки американські вчені похвалили своїх трудяг-носорогів, зазначивши, що їх гранична вантажопідйомність в 3 грами, за вирахуванням 1,3 грама на схему управління, означає можливість змонтувати на спині комахи цільову навантаження вагою 1,7 грама.

З огляду на спонсорство DARPA, неважко передбачити військове застосування нової технології. Але самі розробники жуків-кіборгів відзначають, що цивільне застосування також можливо. Скажімо, можна уявити пошук постраждалих в завалах.

Довгострокова мета проекту і зовсім фантастична - вчені мріють максимальним чином задіяти власні можливості комахи. Навіщо потрібна камера, якщо у жука є очі? Може, краще навчитися знімати сигнал з них і кодувати його в радіоімпульс, передаючи картинку на комп`ютер? А "важкий" акумулятор для електроніки в майбутньому може поступитися місцем системі, яка витягає дещицю енергії з самого комахи, благо він прекрасно вміє поповнювати її запаси (тобто годуватися).

Метелик, що пройшов "тюнінг" в університеті Корнелла (ілюстрація MEMS 2009 Technical Digest).

Перше наближення до такої перспективи показала на все тій же конференції MEMS 2009 Інші команда дослідників з університету Корнелла (Cornell University). Вона перетворила метелика Manduca sexta (Тютюновий бражник) в літаючий хімічний сенсор.

Як і в попередньому прикладі, автори цієї роботи імплантували електроди в комаха на стадії лялечки. Кілька контактів з певними частками нервової системи (впроваджених в голову істоти) дозволили знімати згодом чіткий електричний сигнал при "експозиції" метелики ряду хімічних сполук.

Цільові молекули, до яких відчутно ця комаха, викликали в 10 разів сильніший відгук, ніж нецільові. А це означає, що, по ідеї, поєднавши біоінженерію (ті ж MEMS) і генетичні модифікації комах, можна побудувати живі датчики, що облітають місцевість по заданому маршруту і передають по радіо результати вимірів.

Відео: Тарган Кіборг, що імітує повадки комахи

До повноцінного управління комахами, звичайно, ще далеко. Але ж Корнеллом, Берклі і Мічигані список університетів, де працюють над комахами-кіборгами, не вичерпується. І можна передбачити нові успіхи на цій ниві. Так що сни генералів потроху збуваються.