Karaluch-cyborg wyposażony w maleńki bezprzewodowy moduł sterujący zasilany akumulatorem podłączonym do ogniwa słonecznego może pomóc w inspekcji niebezpiecznych obszarów lub monitorowaniu środowiska. System do tworzenia właśnie takich zdalnie sterowanych owadów zaprezentował międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez badaczy z RIKEN Cluster for Pioneering Research.
Zdalnie sterowane owady mogą pewnego dnia zostać wykorzystane w misjach poszukiwawczo-ratowniczych lub do badania niebezpiecznych miejsc. Ich małe rozmiary sugerują zastosowanie wszędzie tam, gdzie nie wciśnie się nikt inny. Mogą odmienić wiele aspektów naszego życia, a naukowcy międzynarodowego zespołu kierowanego przez naukowców z RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) zaprojektowali właśnie cały system do tworzenia zdalnie sterowanych karaluchów-cyborgów.
Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „npj Flexible Electronics” (DOI: 10.1038/s41528-022-00207-2).
Prace nad możliwością sterowania ruchem małych owadów, takich jak chociażby karaluchy, trwają od lat. Główne problemy to integracja zminiaturyzowanego sprzętu komputerowego z biologiczną tkanką nerwową owada. Wyzwaniem jest także budowanie systemów robotycznych w tak małej skali. Spore osiągnięcia na tym polu mają naukowcy z Uniwersytetu w Connecticut, którzy kilka lat temu opracowali neurokontroler, który ułatwia kontrolowanie ruchów owada (więcej na ten temat w tekście: Zdalnie sterowane karaluchy).
Zdalnie sterowane owady znalazłyby wiele zastosowań. Mogłyby przydać się w zespołach ratowniczych przeszukujących na przykład strefę dotkniętą trzęsieniem ziemi, w poszukiwaniu żywych ludzi. Mogłyby badać trudno dostępne i niebezpieczne miejsca. Co więcej, takimi owadami interesuje się amerykański Departament Obrony.
Karaluchy-cyborgi opracowane przez uczonych z RIKEN CPR wyposażone są w specjalny plecak, który pełni rolę bezprzewodowego modułu sterującego. Jest zasilany z akumulatora, który jest podłączony do ogniwa słonecznego. Dzięki zastosowaniu ultracienkich, lekkich materiałów, karaluchy mogą swobodnie poruszać się po różnych rodzajach terenu.
Jednak, aby wykorzystanie takich owadów było praktyczne, opiekunowie muszą być w stanie kontrolować je zdalnie przez długi czas. Wymaga to bezprzewodowego sterowania segmentami nóg, zasilanego wspomnianym małym akumulatorem. Odpowiednie naładowanie baterii ma fundamentalne znaczenie — nikt nie chce, aby w pobliżu włóczyła się armia karaluchów-cyborgów, nad którymi utracono kontrolę. Chociaż możliwe jest zbudowanie stacji dokujących do ładowania baterii, konieczność powrotu i naładowania akumulatora może zakłócić przebieg misji. Dlatego naukowcy zdecydowali się zastosować ogniwa słoneczne.
Żeby łatwiej zintegrować urządzenia z karaluchem, zespół badawczy musiał opracować specjalny plecak - ultracienkie moduły organicznych ogniw słonecznych oraz system adhezyjny, który utrzymuje maszynerię w miejscu przez długi czas, jednocześnie umożliwiając owadom naturalne ruchy.
Zespół kierowany przez Kenjiro Fukudę z RIKEN CPR eksperymentował z karaluchami z Madagaskaru, które mają około 6 cm długości. Za pomocą specjalnie zaprojektowanego plecaka, który wzorowano na ciele karalucha, przymocowali bezprzewodowy moduł kontroli nóg i baterię litowo-polimerową do górnej części owada. Moduł ten pozwala naukowcom zdalnie kontrolować ruchy owadów. Czyni to poprzez zastosowanie stymulacji elektrycznej, która kontroluje poruszanie się i sprawia, że owad się obraca. Plecak został wydrukowany w 3D z elastycznego polimeru i idealnie dopasował się do zakrzywionej powierzchni karalucha, umożliwiając stabilne mocowanie sztywnego urządzenia elektronicznego na ponad miesiąc.
Sam moduł ogniwa słonecznego ma grubość zaledwie 0,004 mm i został zamontowany na grzbiecie karalucha. - Montowany na ciele ultracienki moduł organicznego ogniwa słonecznego osiąga moc wyjściową 17,2 mW, czyli ponad 50 razy większą niż moc wyjściowa obecnych urządzeń gromadzących energię na żywych owadach – mówi Fukuda.
Ultracienkie i elastyczne organiczne ogniwo słoneczne oraz sposób, w jaki zostało przymocowane do owada, okazały się niezbędne do zapewnienia swobody ruchu. Po dokładnym zbadaniu naturalnych ruchów karaluchów naukowcy zdali sobie sprawę, że w trakcie poruszania się części egzoszkieletu nakładają się na siebie. Dlatego też musieli dostosować konstrukcję plecaka do zmieniających się kształtów owada, by zapewnić mu swobodne ruchy.
Po zintegrowaniu tych elementów z karaluchami wraz z przewodami stymulującymi segmenty nóg, przyszedł czas na testy. Karaluchy-cyborgi poruszały się sprawnie i skręcały w lewo i prawo za pomocą bezprzewodowego pilota.
Wszystko to było możliwe dzięki niewielkim rozmiarom i wadze zastosowanej elektroniki. Podczas testów badacze odkryli, że karaluchy mogą poruszać się dwa razy szybciej z nowo opracowanymi plecakami niż wtedy, gdy były wyposażone w cięższe lub źle dostosowane plecaki.
- Biorąc pod uwagę deformację ciała podczas poruszania się, hybrydowy system elektroniczny sztywnych i elastycznych elementów wydaje się być skutecznym projektem dla karaluchów-cyborgów – mówi Fukuda. - Ponadto, nasza strategia może być dostosowana do innych owadów, takich jak chrząszcze, a może nawet owady latające, takie jak cykady – dodaje.
Źródło i fot.: RIKEN
