Электростимуляция заставила жука-киборга лезть на стену

Инженеры создали жука-киборга ZoBorg, движением которого можно управлять, воздействуя электрической стимуляцией на надкрылья через импланитированные электроды. Электрические импульсы заставляют жука двигаться одновременно вперед и боком в сторону, противоположную стимулируемому надкрылью. В экспериментах исследователи заставили жука переходить с пола на стены и карабкаться по ним. Статья опубликована в журнале Advanced Science.

Миниатюрные роботы размером с насекомое могут найти применение в самых разных задачах — от обслуживания авиационных двигателей до поиска выживших под завалами. Однако создание полностью искусственных роботов такого масштаба сопряжено с серьезными трудностями из-за отсутствия подходящих компактных компонентов. Одно из альтернативных решений состоит в том, чтобы вместо копирования возможностей живых организмов использовать в роли платформы реальных насекомых, так как они уже умеют эффективно передвигаться в различных условиях.

Для таких экспериментов зачастую используют больших мадагаскарских шипящих тараканов, благодаря их большим размерам и грузоподъемности. В их организм внедряют электроды, через которые подключаются электронные модули, контролирующие перемещения насекомого за счет электростимуляции. Однако в киборгов превращают и других насекомых. Например, в 2017 году исследователи из Сингапура научились управлять движением жука семейства чернотелок рода Zophobas. На спине насекомого исследователи закрепили «рюкзачок» с электроникой, воздействующей через электроды на его усики. Подавая на них стимулирующие сигналы, можно было управлять направлением движения жука.

Большинство предыдущих работ было сосредоточено на управлении передвижением насекомого по горизонтальной поверхности. Однако при встрече с высоким препятствием или стеной живое насекомое может перейти к перемещению по вертикальной поверхности. Научить насекомое-киборга ползать по стенам взялись исследователи под руководством Т. Тханга Во-Доана (T. Thang Vo-Doan) из Университета Квинсленда. В роли платформы они использовали такого же жука рода Zophobas, как исследователи из Сингапура. На его спине закрепили плату массой около 160 миллиграмм с микроконтроллером и инфракрасным приемником для получения команд. Вместо усиков электроды имплантировали в элитры — жесткие надкрылья жука. Эксперименты показали, что их электростимуляция заставляет насекомое двигаться вперед и боком в сторону, противоположную стимулируемому надкрылью.

Протокол карабканья на стену, разработанный авторами, состоит из трех фаз. Сначала ZoBorg (так назвали жука-киборга) подходит к стене до тех пор, пока его усики не коснутся вертикальной поверхности. Если жук не начинает карабкаться сам, оператор активирует стимуляцию внешнего (дальнего от стены) надкрылья. Это заставляет жука развернуться и встать параллельно стене, что максимизирует площадь контакта. Поскольку открытое пространство вертикальной поверхности воспринимается насекомым как путь с наименьшим сопротивлением, при продолжающейся электростимуляции оно переходит на стену и начинает карабкаться вверх. Успех фиксируется, когда все шесть ног оказываются на стене.

Для проверки эффективности подхода исследователи провели серию экспериментов. ZoBorg успешно преодолевал на арене из пенопласта невысокие препятствия высотой пять и восемь миллиметров с вероятностью более 92 процентов, затрачивая на это меньше секунды. С переходами на вертикальную стену киборг справился в 71 проценте случаев, тратя на маневр в среднем около пяти секунд. Интересно, что в 68 процентах успешных случаев жук предпочитал дойти до угла и взбираться на стену там, а не в ее середине. Авторы связывают это с тем, что стимуляция надкрылий провоцирует жука двигаться не только вбок, но и вперед, заставляя его сначала дойти до угла, и только потом начать подъем.

Помимо экспериментов в лабораторных условиях, инженеры провели тесты на открытом воздухе. В одном из таких опытов, например, ZoBorg, оснащенный "рюкзачком" с миниатюрной батареей, успешно взобрался по вертикальной стене из песчаника. В будущем авторы планируют перейти к полностью автономной системе, включающей обратную связь от IMU-датчика и миниатюрной камеры. Это позволит системе управления самостоятельно определять момент перехода на стену и адаптировать движения киборга к окружающей среде в реальном времени.

Установленная на киборга камера может помочь не только в навигации, но и в поиске людей. Нечто подобное уже тестировали инженеры из Сингапура, Китая, Германии и Великобритании. Они создали таракана-киборга, которого оснастили инфракрасной камерой, позволяющей находить людей по тепловому излучению.