Жуки-киборги вылетели на пробную разведку

 Незаметные и ловкие разведчики, оставляющие позади любой микроскопический беспилотник, до сих пор виделись военным лишь в сладких снах. Но если есть заказ, учёные и инженеры рано или поздно его выполнят.

Небезызвестное научно-исследовательское агентство Пентагона DARPA ещё в 2006 году открыло тему "скрещивания" насекомых с микроэлектромеханическими системами — Hybrid Insect MEMS. За превращение разнообразных букашек в киборгов взялись сразу несколько коллективов. Особенно интенсивно работа закипела в "совместном предприятии" специалистов из Калифорнийского в Беркли (University of California at Berkeley) и Мичиганского (University of Michigan) университетов.

Немало экспериментаторы поломали головы над оптимальной системой управления насекомыми. В 2008 году группа под руководством Майкла Махарбица (Michel Maharbiz) показала общественности первые успехи: сигналы, подаваемые на имплантированные в жуков электроды, заставляли последних начинать или прекращать махать крыльями (в зависимости от полярности напряжения).

(ФОТО №1) Войдёт ли этот рейс в будущие учебники по биоинженерии? План полёта: Т0 – начало записи (жук летит к оператору с ноутбуком), Т1 (0,6 с) – человек подаёт команду "налево", насекомое отвечает манёвром, Т2 (1,6) – выполнена команда "направо", Т3 (3,1 с) – снова команда "налево", Т4 (4,2) – "направо", Т5 (4,8 с) – жук сел на занавесе (фото MEMS 2009 Technical Digest).

В первых опытах жуки были закреплены неподвижно, а сигналы посылались по проводкам. Далее учёные сумели отвязать своих подопечных: крошечные схемы управления научились помещать на самих насекомых. При этом подачей импульсов на отдельные мышцы, а также – при помощи полоски светодиодов, расположенной перед глазами летающего существа, исследователи научились задавать жуку направление движения.

Но последовательность команд была зашита в памяти микросхемы, так что насекомое могло выполнять только жёстко предписанный "план полёта". Чтобы получить подлинное ДУ, нужно было добавить радиоканал. А это увеличивало вес электроники, что грозило настоящим тупиком.

И вот в начале 2009 года объединённая команда двух университетов порадовала продолжением темы: впервые были "созданы" летающие насекомые-киборги с радиоуправлением.

(ФОТО №3) Комплекс дистанционного управления жуком (упрощённо): a) жук-киборг, b) ноутбук с подсоединённым через USB радиопередатчиком, c) приёмник, d) антенна, e) стимулирующие правый и левый "лобовые" электроды, f) летательные мускулы g) контрэлектрод (фотографии MEMS 2009 Technical Digest).

В конце января американские умельцы выступили в Италии на международной конференции по микроэлектромеханическим системам IEEE MEMS 2009. Представлял работу один из её авторов Хиротака Сато (Hirotaka Sato).

Жуки-носороги (Mecynorrhina torquata), использованные в данном эксперименте, насчитывали от 4 до 8 сантиметров в длину и весили от 4 до 10 граммов. Им имплантировали шесть электродов в мускулы и "мозги", а команды на взлёт, посадку или разворот теперь могли подаваться на расстоянии – с ноутбука.

Для этого авторы исследования собрали крошечные контролирующие устройства, которые преобразовывали команды, принимаемые по радиоканалу, в электрические импульсы, подаваемые на электроды. Эти контроллеры и наклеили на спины подопытным созданиям.

(ФОТО №4) Управляющее устройство, вид сверху и снизу. Необычные приборчики были собраны из электронных компонентов от ряда известных промышленных компаний, в частности Texas Instruments (фотографии MEMS 2009 Technical Digest).

Плата с микросхемой, приёмопередатчик, работающий на частоте 2,4 ГГц, дипольные антенны, аккумулятор на 8,5 миллиамперчаса — такова получилась ноша жуков-киборгов. А потянула она всего на 1,33 грамма, что меньше предельной грузоподъёмности жука-носорога, который может взлететь с тремя граммами "на борту". Это, кстати, одна из причин, по которым для новых опытов выбрали данных созданий: не каждый жук поднимет даже такой крошечный электронный модуль.

В среднем через полсекунды после электростимуляции соответствующего нерва жуки поднимались в воздух. Вероятность успеха при нажатии на ноутбуке кнопки "взлёт" составила 97% (29 выполненных команд из 30 попыток). В самом же полёте жуки успешно маневрировали по распоряжениям учёных (выполнялись простые сигналы "вправо" и "влево").

Причём, как оказалось, для уверенной коррекции курса не требовалось светить в правый или левый глаз создания белыми светодиодами (как в прошлом году), достаточно было просто подавать электрические импульсы сразу в зрительные участки нервной системы.

(ФОТО №5) Имплантация электродов выполняется ещё на стадии куколки, а полный комплект оборудования добавляют уже к взрослой особи. Причина – внедрение электродов сразу во взрослого жука с высокой вероятностью приводит к его гибели в течение короткого времени. Аналогично происходит дело и с попыткой имплантации контактов в личинку. 

И только в случае куколки электроды постепенно зарастают молодой тканью и оказываются без последствий интегрированы в насекомого, причём получается прочный механический и электрический контакт. Кстати, такой подход применяют и другие группы, работающие в данном направлении (иллюстрация Maharbiz Research Group).

Исследователи полагают, что жуки могут сыграть роль универсальных платформ для разнообразных датчиков, в том числе — микроскопических видеокамер. Тут опять-таки американские учёные похвалили своих трудяг-носорогов, отметив, что их предельная грузоподъёмность в 3 грамма, за вычетом 1,3 грамма на схему управления, означает возможность смонтировать на спине насекомого целевую нагрузку весом 1,7 грамма.

Учитывая спонсорство DARPA, нетрудно предсказать военное применение новой технологии. Но сами разработчики жуков-киборгов отмечают, что гражданское применение также возможно. Скажем, можно вообразить поиск пострадавших в завалах.

Долгосрочная цель проекта и вовсе фантастична — учёные мечтают максимальным образом задействовать собственные возможности насекомого. Зачем нужна камера, если у жука есть глаза? Может, лучше научиться снимать сигнал с них и кодировать его в радиоимпульсах, передавая картинку на компьютер? А "тяжёлый" аккумулятор для электроники в будущем может уступить место системе, извлекающей толику энергии из самого насекомого, благо он прекрасно умеет пополнять её запасы (то есть кормиться).

Первое приближение к такой перспективе показала на всё той же конференции MEMS 2009 другая команда исследователей из университета Корнелла (Cornell University). Она превратила мотылька Manduca sexta (табачный бражник) в летающий химический сенсор.
 

Как и в предыдущем примере, авторы этой работы имплантировали электроды в насекомое на стадии куколки. Несколько контактов с определёнными долями нервной системы (внедрённых в голову существа) позволили снимать впоследствии чёткий электрический сигнал при "экспозиции" бабочки ряду химических соединений.

Целевые молекулы, к которым чувствительно это насекомое, вызывали в 10 раз более сильный отклик, чем нецелевые. А это значит, что, по идее, совместив биоинженерию (те же MEMS) и генетические модификации насекомых, можно построить живые датчики, облетающие местность по заданному маршруту и передающие по радио результаты измерений.

До полноценного управления насекомыми, конечно, ещё далеко. Но ведь Корнеллом, Беркли и Мичиганом список университетов, где работают над насекомыми-киборгами, не исчерпывается. И можно предсказать новые успехи на данной ниве. Так что сны генералов понемногу сбываются.