Исследователи разработали систему для создания дистанционно управляемых тараканов-киборгов, оснащенную крошечным модулем беспроводного управления, который питается от перезаряжаемой батареи, прикрепленной к солнечной батарее. Несмотря на механические устройства, сверхтонкая электроника и гибкие материалы позволяют насекомым свободно передвигаться. Эти достижения помогут сделать использование насекомых-киборгов реальностью. Международная группа под руководством исследователей RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) сообщила о результатах сегодня, в научном журнале npj Flexible Electronics, в статье под названием "Интеграция сверхмягкого органического солнечного элемента, установленного на теле, на насекомых-киборгов с неповрежденной подвижностью".
Ученые пытались сконструировать насекомых-киборгов — наполовину насекомое, наполовину машину, — чтобы помогать инспектировать опасные зоны и следить за окружающей средой. Однако, чтобы использование насекомых-киборгов было практичным, дрессировщики должны иметь возможность удаленно управлять ими в течение длительных периодов времени. Это влечет за собой беспроводное управление сегментами их ног, питающееся от крошечной перезаряжаемой батареи.
Аккумулятор должен быть заряжен надлежащим образом — никто не хочет, чтобы вокруг бродил внезапно вышедший из-под контроля рой тараканов-киборгов. В то время как док-станции для подзарядки батареи могут быть построены, необходимость возврата и подзарядки может нарушить выполнение срочных миссий. Таким образом, оптимальным подходом является включение бортовой солнечной батареи, которая может постоянно обеспечивать заряд батареи.
Конечно, все это легче сказать, чем сделать. Чтобы успешно интегрировать эти устройства в таракана с ограниченной площадью поверхности, команде инженеров потребовалось разработать специальный рюкзак и ультратонкие модули органических солнечных элементов. Им также требовалась система сцепления, которая удерживала бы оборудование в течение длительного периода времени, сохраняя при этом естественные движения.
Под руководством Кенджиро Фукуда, RIKEN CPR, исследовательская группа экспериментировала с мадагаскарскими тараканами, длина которых составляет примерно 6 см. Они прикрепили беспроводной модуль управления ногами и литий-полимерный аккумулятор к верхней части грудной клетки насекомого с помощью специально разработанного рюкзака. Он был смоделирован по образцу тела модельного таракана и напечатан на 3D-принтере из эластичного полимера. В результате получился рюкзак, который идеально соответствовал изогнутой поверхности таракана, позволяя надежно закрепить жесткое электронное устройство на грудной клетке более месяца.
Ультратонкий модуль органических солнечных элементов толщиной 0,004 мм был установлен на задней стороне брюшной полости. Установленный на теле сверхтонкий модуль органических солнечных элементов обеспечивает выходную мощность 17,2 мВт, что более чем в 50 раз превышает выходную мощность современных современных устройств сбора энергии на живых насекомых.
Ультратонкий и гибкий органический солнечный элемент и то, как он был прикреплен к насекомому, оказались необходимыми для обеспечения свободы передвижения. Тщательно изучив естественные движения тараканов, ученые поняли, что брюшко меняет форму, а части экзоскелета перекрываются. Чтобы приспособиться к этому, они чередовали клейкие и неклейкие участки на пленках, что позволяло им сгибаться, но при этом оставаться прикрепленными. Когда тестировались более толстые пленки солнечных элементов или когда пленки были равномерно прикреплены, тараканам требовалось в два раза больше времени, чтобы пробежать то же самое расстояние. Им также было трудно выпрямиться, когда они лежали на спине.
Как только эти компоненты были интегрированы в тараканов вместе с проводами, которые стимулируют сегменты ног, новые киборги были протестированы. Аккумулятор заряжали псевдосолнечным светом в течение 30 минут, а животных заставляли поворачиваться влево и вправо с помощью беспроводного пульта дистанционного управления.
Учитывая деформацию грудной клетки и брюшной полости во время основных движений, гибридная электронная система из жестких и гибких элементов в грудной клетке и сверхмягких устройств в брюшной полости кажется эффективной конструкцией для тараканов-киборгов. Более того, поскольку деформация брюшной полости не является уникальной для тараканов, выбранная учеными стратегия может быть адаптирована к другим насекомым, таким как жуки, или, возможно, даже к летающим насекомым, таким как цикады в будущем.