Насекомые, управляемые с пульта ДУ,
присутствуют не в одном фантастическом фильме и рассказе. Незаметные и
ловкие разведчики, оставляющие позади любой микроскопический
беспилотник, до сих пор виделись военным лишь в сладких снах. Но если
есть заказ, учёные и инженеры рано или поздно его выполнят.
Небезызвестное научно-исследовательское агентство Пентагона DARPA
ещё в 2006 году открыло тему "скрещивания" насекомых с
микроэлектромеханическими системами — Hybrid Insect MEMS. За
превращение разнообразных букашек в киборгов взялись сразу несколько
коллективов. Особенно интенсивно работа закипела в "совместном
предприятии" специалистов из Калифорнийского в Беркли (University of California at Berkeley) и Мичиганского (University of Michigan) университетов. Немало
экспериментаторы поломали головы над оптимальной системой управления
насекомыми. В 2008 году группа под руководством Майкла Махарбица (Michel Maharbiz)
показала общественности первые успехи: сигналы, подаваемые на
имплантированные в жуков электроды, заставляли последних начинать или
прекращать махать крыльями (в зависимости от полярности напряжения).
В
первых опытах жуки были закреплены неподвижно, а сигналы посылались по
проводкам. Далее учёные сумели отвязать своих подопечных: крошечные
схемы управления научились помещать на самих насекомых. При этом
подачей импульсов на отдельные мышцы, а также – при помощи полоски
светодиодов, расположенной перед глазами летающего существа,
исследователи научились задавать жуку направление движения.
Но
последовательность команд была зашита в памяти микросхемы, так что
насекомое могло выполнять только жёстко предписанный "план полёта".
Чтобы получить подлинное ДУ, нужно было добавить радиоканал. А это
увеличивало вес электроники, что грозило настоящим тупиком.
И
вот в начале 2009 года объединённая команда двух университетов
порадовала продолжением темы: впервые были "созданы" летающие
насекомые-киборги с радиоуправлением.
В конце января американские умельцы выступили в Италии на международной конференции по микроэлектромеханическим системам IEEE MEMS 2009. Представлял работу один из её авторов Хиротака Сато (Hirotaka Sato).
Жуки-носороги (Mecynorrhina torquata),
использованные в данном эксперименте, насчитывали от 4 до 8 сантиметров
в длину и весили от 4 до 10 граммов. Им имплантировали шесть электродов
в мускулы и "мозги", а команды на взлёт, посадку или разворот теперь
могли подаваться на расстоянии – с ноутбука.
Для
этого авторы исследования собрали крошечные контролирующие устройства,
которые преобразовывали команды, принимаемые по радиоканалу, в
электрические импульсы, подаваемые на электроды. Эти контроллеры и
наклеили на спины подопытным созданиям.
Плата
с микросхемой, приёмопередатчик, работающий на частоте 2,4 ГГц,
дипольные антенны, аккумулятор на 8,5 миллиамперчаса — такова
получилась ноша жуков-киборгов. А потянула она всего на 1,33 грамма,
что меньше предельной грузоподъёмности жука-носорога, который может
взлететь с тремя граммами "на борту". Это, кстати, одна из причин, по
которым для новых опытов выбрали данных созданий: не каждый жук
поднимет даже такой крошечный электронный модуль.
В
среднем через полсекунды после электростимуляции соответствующего нерва
жуки поднимались в воздух. Вероятность успеха при нажатии на ноутбуке
кнопки "взлёт" составила 97% (29 выполненных команд из 30 попыток). В
самом же полёте жуки успешно маневрировали по распоряжениям учёных
(выполнялись простые сигналы "вправо" и "влево").
Причём,
как оказалось, для уверенной коррекции курса не требовалось светить в
правый или левый глаз создания белыми светодиодами (как в прошлом
году), достаточно было просто подавать электрические импульсы сразу в
зрительные участки нервной системы.
Исследователи
полагают, что жуки могут сыграть роль универсальных платформ для
разнообразных датчиков, в том числе — микроскопических видеокамер. Тут
опять-таки американские учёные похвалили своих трудяг-носорогов,
отметив, что их предельная грузоподъёмность в 3 грамма, за вычетом 1,3
грамма на схему управления, означает возможность смонтировать на спине
насекомого целевую нагрузку весом 1,7 грамма.
Учитывая
спонсорство DARPA, нетрудно предсказать военное применение новой
технологии. Но сами разработчики жуков-киборгов отмечают, что
гражданское применение также возможно. Скажем, можно вообразить поиск
пострадавших в завалах.
Долгосрочная
цель проекта и вовсе фантастична — учёные мечтают максимальным образом
задействовать собственные возможности насекомого. Зачем нужна камера,
если у жука есть глаза? Может, лучше научиться снимать сигнал с них и
кодировать его в радиоимпульсах, передавая картинку на компьютер? А
"тяжёлый" аккумулятор для электроники в будущем может уступить место
системе, извлекающей толику энергии из самого насекомого, благо он
прекрасно умеет пополнять её запасы (то есть кормиться).
Первое
приближение к такой перспективе показала на всё той же конференции MEMS
2009 другая команда исследователей из университета Корнелла (Cornell University). Она превратила мотылька Manduca sexta (табачный бражник) в летающий химический сенсор.
Как
и в предыдущем примере, авторы этой работы имплантировали электроды в
насекомое на стадии куколки. Несколько контактов с определёнными долями
нервной системы (внедрённых в голову существа) позволили снимать
впоследствии чёткий электрический сигнал при "экспозиции" бабочки ряду
химических соединений.
Целевые
молекулы, к которым чувствительно это насекомое, вызывали в 10 раз
более сильный отклик, чем нецелевые. А это значит, что, по идее,
совместив биоинженерию (те же MEMS) и генетические модификации
насекомых, можно построить живые датчики, облетающие местность по
заданному маршруту и передающие по радио результаты измерений.
До
полноценного управления насекомыми, конечно, ещё далеко. Но ведь
Корнеллом, Беркли и Мичиганом список университетов, где работают над
насекомыми-киборгами, не исчерпывается. И можно предсказать новые
успехи на данной ниве. Так что сны генералов понемногу сбываются.