Обтекатель увеличил скорость медузы-киборга в 4,5 раза

Американские инженеры создали медузу-киборга с вживленными электродами для электростимуляции мышц. На куполе медузы разместили обтекатель полуэллептической формы, который позволил увеличить скорость перемещения биогибрида в 4,5 раза. Препринт опубликован на arXiv.org.

Зачастую животные становятся источником вдохновения для инженеров, занимающихся разработкой роботов. Это связано с тем, что многие живые организмы в ходе эволюции смогли выработать эффективные способы передвижения, которые инженеры стремятся воспроизвести. Однако несмотря определенные успехи, даже самые передовые разработки по-прежнему сильно уступают природным оригиналам в эффективности. Есть и альтернативный подход — использовать различные методы управления живыми организмами, чтобы они выступали в роли киборгов, выполняющих необходимые действия и команды. В качестве примера можно привести успешные опыты по управлению жуками, стрекозами и тараканами с помощью электрической и оптической стимуляции их мышц и органов чувств.

В 2020 году американские исследователи научились управлять морскими медузами через вживленные в них электроды. Электрическая стимуляция позволила увеличить скорость движения представителей вида ушастых аурелий (Aurelia aurita) в 2,8 раза. Однако исследователи Саймон Анущик (Simon R. Anuszczyk) и Джон Дабири (John Dabiri) из Калифорнийского технологического института не остановились на достигнутом и создали улучшенный вариант медузы-киборга.

Так же, как и ранее электростимуляция происходит через электроды, внедренные в расположенные под куполом медузы плавательные мышцы, на которые подаются прямоугольные импульсы с частотой 0,5 герц продолжительностью 10 миллисекунд при напряжении 3,7 вольт. При этом выяснилось, что если закрепить на внешней стороне купола медузы колпак-обтекатель с формой полуэллипса, то происходит изменение характера течения потоков воды вокруг тела медузы, что в итоге приводит к дополнительному увеличению скорости перемещения.

Пластиковый 3D-печатный обтекатель крепится к деревянному стержню, который проходит через тело медузы и противоположным концом соединяется с водонепроницаемым контейнером, содержащим бортовую электронику с микропроцессором и аккумулятором. Чтобы вес обтекателя не влиял на вертикальную скорость, инженеры добились слабой положительной плавучести биогибрида.

Эксперименты проводили в вертикальном бассейне высотой шесть метров, вмещающем 13600 литров соленой воды. Как и в предыдущем исследовании, исследователи использовали медуз вида Aurelia aurita, которые не имеют центральной нервной системы и ноцицепторов, и потому предполагается, что опыты не причиняют им страданий. Медуз выпускали наверху в бассейн и заставляли с помощью электростимуляции плыть вниз. Оказалось, что наибольший прирост в скорости достигается с обтекателем, высота полуэллипса которого равна диаметру основания. С ним скорость движения медузы-киборга увеличивается в 4,5 раза по сравнению с нормальным режимом плавания.

Так как объем пустого пространства под обтекателем составляет около 105 процентов объема самой медузы, то внутри него можно разместить дополнительную полезную нагрузку. К примеру, туда можно установить емкий аккумулятор, который позволит медузе-киборгу работать до 22 недель, а также набор сенсоров для измерения различных показателей окружающей среды. Таким образом биогибридную медузу можно будет использовать в практических целях для исследования океанов в течение длительного времени, в том числе на большой глубине, считают авторы исследования.

Вместо того чтобы пытаться превратить в робота живой организм целиком, иногда проще использовать только отдельные его части. К примеру, американские инженеры построили миниатюрного биогибридного робота eBiobot, в котором в роли приводящих его в движение актуаторов выступают искусственно выращенные трансгенные мышцы.