Сингапурцы автоматизировали производство тараканов-киборгов

Сингапурские инженеры создали автоматизированную систему для превращения больших мадагаскарских тараканов в дистанционно управляемых киборгов. Промышленный манипулятор с помощью компьютерного зрения находит на спине насекомого нужную точку и устанавливает туда рюкзачок с электроникой. При этом электроды на конце рюкзачка имплантируются в межсегментную мембрану между переднеспинкой и среднеспинкой таракана, а держатели фиксируются на теле. Весь процесс сборки киборга занимает 68 секунд. Испытания показали, что рой из четырех насекомых-киборгов способен эффективно обследовать сложную местность за короткое время. Статья опубликована в Nature Communications.

Миниатюрные роботы размером с насекомое могут пригодиться для решения целого ряда задач, от инспекции сложного оборудования без разборки, до проведения поисково-спасательных операций в зонах бедствия. Однако создание полностью синтетических устройств такого масштаба наталкивается на технологические барьеры, связанные с миниатюризацией источников питания, приводов и систем управления. Одно из альтернативных решений состоит в том, чтобы вместо копирования возможностей живых организмов использовать реальных насекомых. К примеру, исследователи из Сингапура и Японии уже несколько лет превращают в киборгов больших мадагаскарских шипящих тараканов. В их организм внедряют электроды, через которые движения насекомых можно контролировать с помощью электростимуляции.

Поскольку насекомые малы, то для более эффективного выполнения задач, например по обследованию территории, необходимо развертывание целого роя. Однако процесс превращения в киборгов до сих пор был полностью ручным и отнимал много времени, а успех операции сильно зависел от опыта хирурга. Такой штучный подход не только медленный, но и приводит к большому разбросу в качестве готовых тараканов-киборгов, что может мешать их эффективному использованию.

Инженеры под руководством Хиротаки Сато (Hirotaka Sato) из Наньянского технологического университета решили эту проблему, создав первую в мире автоматизированную фабрику по производству насекомых-киборгов. Роль экспериментальной платформы вновь досталась мадагаскарским шипящим тараканам, благодаря их большому размеру (в среднем 5–7 сантиметров) и грузоподъемности. В качестве точки стимуляции вместо хрупких антенн выбрали межсегментную мембрану, расположенную между пронотумом (щитком на груди) и мезотораксом — жесткими хитиновыми сегментами тела таракана. Эта зона достаточно широка и прочна для автоматической установки электродов, хорошо различима камерой, а главное — связана с передними ногами таракана, благодаря чему электростимуляция может управлять поворотами и скоростью насекомого.

Для электростимуляции инженеры изготовили 3D-печатные миниатюрные биполярные электроды с острой микроиглой для прокалывания мембраны и крючком для фиксации внутри тела насекомого. Сама «фабрика киборгов» представляет собой автоматический комплекс, состоящий из фиксатора для насекомого, промышленного манипулятора Universal Robot UR3e с захватом и системы компьютерного зрения на основе камеры глубины Intel RealSense. Для обездвиживания тараканов используется углекислый газ, а весь процесс создания киборга занимает 68 секунд.

Сравнение управляемости автоматически собранных тараканов-киборгов с собранными вручную не выявило значительных различий: и те, и другие демонстрировали уверенное управление поворотами и замедление. Повинуясь беспроводным командам, тараканы поворачивали на углы свыше 70 градусов с угловой скоростью более 240 градусов в секунду и замедляли скорость бега на 68 процентов при стимуляции одновременно двух электродов. Точность управления разработчики проверили с помощью прохождения S-образной траектории: насекомые успешно следовали по маршруту.

Также инженеры провели демонстрационный эксперимент с роем из четырех тараканов. Их выпустили на арену размером 2 × 2 метра с хаотично расставленными препятствиями. За 10 минут и 31 секунду рой обследовал более 80 процентов доступной площади, что было бы недостижимо для одного киборга за то же время. В будущем авторы планируют оснастить тараканов миниатюрными камерами и микрофонами, которые помогут в поиске и обнаружении людей, а также, возможно, попытаются интегрировать в систему газовые сенсоры, хотя инженеры и признают, что это технически сложно из-за ограничений по размеру и питанию.

В киборгов превращают не только мадагаскарских тараканов, но и других насекомых. Например, недавно биоинженеры сделали киборга из жука рода Zophobas и заставили его ходить по стенам.