Неинвазивные электроды превратили таракана в киборга без вреда для его здоровья

Инженеры разработали управляющие электроды для электростимуляции, с помощью которых можно превратить таракана в киборга без нанесения вреда здоровью насекомого. Одной стороной электроды подключаются к рюкзачку с управляющей электроникой на спине таракана, а другой — к его внешним органам чувств и телу с помощью токопроводящего полимерного геля. Этот способ не требует необратимых хирургических операций, которые применялись в предыдущих способах имплантации. Статья опубликована в журнале npj Flexible Electronics.

Ключевая проблема при разработке миниатюрных роботов, размером сопоставимых с насекомыми, связана с отсутствием подходящей компактной компонентной базы, в особенности эффективных актуаторов и источников питания. Одно из альтернативных решений заключается в том, чтобы вместо попыток имитировать возможности живых организмов использовать в качестве платформы настоящих насекомых, которые уже умеют эффективно передвигаться в различных условиях.

Для таких экспериментов часто используют мадагаскарских шипящих тараканов благодаря их большому размеру и сравнительно высокой грузоподъемности. Инженеры давно научились контролировать их движения за счет стимуляции электрическими импульсами внешних органов осязания и обоняния — усиков-антенн и церок (усикообразные органы в задней части тела насекомого). Поступление стимулирующего импульса вызывает у таракана иллюзию, что он натолкнулся на препятствие. Если стимулируется правая часть, то таракан поворачивает влево, и наоборот.

Обычно для того, чтобы подсоединить управляющие электроды к антеннам насекомого, они обрезаются, после чего тонкая проводящая серебряная проволока имплантируется в место среза. Это способ наносит необратимый вред животному, и помимо своей негуманности ведет к потере им естественной способности обнаруживать препятствия вокруг себя и самостоятельно уклоняться от них. Чтобы избежать этого, инженеры из Сингапура и Китая под руководством Хиротаки Сато (Hirotaka Sato) из Наньянского технологического университета разработали неинвазивный вариант электродов, подключение которых не наносит вред организму насекомого.

Электрод состоит из слоя полимерного гель-электролита, обладающего ионной проводимостью, и нанопленки золота на гибкой полиимидной подложке. Полиэлектролит наносится на усик таракана в жидкой форме для обеспечения плотного контакта без воздушных промежутков, которые могут возникнуть из-за большого количества волосков, а затем полимеризуется с помощью ультрафиолета. Поверх него накладываются остальные слои электрода в форме петли, после чего скрепляются вокруг антенны с помощью пластиковой миниатюрной стяжки. Закрепленные электроды не оставляют повреждений на теле таракана и могут быть удалены без последствий для организма насекомого.

В качестве платформы для таракана-киборга были выбраны мужские особи мадагаскарского шипящего таракана с длиной тела от пяти до семи сантиметров и массой от шести до восьми грамм. К их усикам прикрепляются неинвазивные электроды для управления направлением движения. Между сегментами брюшка устанавливается электрод, стимулирующий движение таракана вперед, а также заземляющий электрод. Они отличаются по конструкции от электродов, отвечающих за направление движения.

Для их создания пространство между выбранными сегментами брюшка заполняется проводящим гелем, в который вставляется серебряная проволока. Сверху для механической прочности конструкция покрывается скотчем. Управляют тараканом с помощью команд, которые посылаются с компьютера через Bluetooth на приклеенный к спине таракана рюкзачок с микроконтроллером, который генерирует последовательности управляющих импульсов. Они передаются через подключенные к рюкзачку электроды к телу насекомого-киборга.

Для демонстрации эффективности управления с помощью новых электродов инженеры провели ряд экспериментов, в которых таракан-киборг должен был следовать по заданному маршруту. В первом тесте таракан двигался по маршруту в форме символа «S», повинуясь командам оператора. Во втором эксперименте таракан должен был преодолеть «лабиринт» из разложенных на тестовой площадке кусков кирпича. При этом путь прокладывался автоматически системой, которая отслеживала положение таракана на поле с помощью камер системы захвата движений, размещенных вокруг площадки. При этом таракан, обнаруживая препятствие с помощью своих неповрежденных антенн, мог самостоятельно выбирать, с какой стороны его обходить.

В качестве полезной нагрузки насекомое-киборг может нести миниатюрную камеру, разработанную специально для такого случая американскими инженерами. Камера может поворачиваться по вертикали и горизонтали, снимать видео с частотой пять кадров в секунду и в реальном времени передавать его на смартфон. При этом масса камеры составляет менее четверти грамма, благодаря чему насекомые с ней могут свободно передвигаться и удерживать равновесие.