Насекомые превращаются в киборгов

Начиная с 2008-го года стали появляться сообщения об успехах в создании радиоуправляемых насекомых. Эти работы уже имеют более практическую направленность.

К настоящему моменту как минимум три группы ученых описали свои разработки в рецензируемых журналах.

Во всех из них на насекомое крепится радиосистема, микроконтроллер, который обрабатывает радиосигнал и превращает его в электрические импульсы, посылаемые в различные участки нервной системы, и крошечная батарейка, питающая все эти устройства.

Разные группы используют разное оборудование. Команда Калифорнийского университета в Беркли, возглавляемая Хиротака Сато (Hirotaka Sato), использовала 8-канальную радиосистему под управлением микроконтроллера от Texas Instrument. Применение керамических антенн позволило добиться малого размера и веса конструкции. Это, пожалуй, наиболее "продвинутая" система на настоящий день.

Команда, возглавляемая Алпером Боцкуртом (Alper Bozkurt) из университета Северной Каролины построила систему на двухканальном AM-приемнике собственной конструкции и микроконтроллере PIC. Для того, чтобы вес этих устройств не мешал полету, к насекомому также прикрепляется небольшой воздушный шарик, наполненный гелием.

В третьей успешной разработке применялся разработанный в MIT чип-приемник, который работал по беспроводному протоколу 802.15.4a, потребляя при этом рекордно малое количество энергии - 2,5 милливатт (1,4 наноджоулей на один бит информации) при скорости передачи данных в 16 Мб/с. Приемник был связан с микроконтроллером от Texas Instrument. Причем электроды вживлялись насекомому еще на стадии куколки и, совершив метаморфоз, взрослая особь уже содержала в себе надежно интегрированную систему контроля.

Основная идея всех трех разработок состоит в том, чтобы использовать не только крылья и мышцы насекомого, управляя напрямую их движением, а вместо этого отдавать приказы нервной системе, которая сама уже позаботиться об их исполнении. Сигналы, посылаемые в мозг, таким образом, контролируют собственный полет насекомого.

Малый вес насекомых и прочность их хитинового покрова позволяет им не особенно заботиться об огибании препятствий, и в своем свободном полете они нередко сталкиваются с ветками или другими препятствиями. Если подводить электроды к отдельным нейронам или небольшим группам клеток, то велика вероятность того, что они сместятся в результате вибраций. Поэтому ученым приходится искать такие группы клеток или нервы, которые бы позволяли управлять полетом насекомого и при этом были достаточно крупны, чтобы небольшие смещения не нарушили работоспособность всей системы.

Начало и прекращение полета

Если в помещении, где летает жук Mecynorhina ugandensis из подсемейства бронзовых выключить свет, то он тут же остановится под действием своей внутренней программы (также ведут себя и многие птицы). Подобное поведение жука подсказало ученым из группы Хиротака Сато идею управлять полетом при помощи сигналов, посылаемых в зрительную часть мозга насекомого.

Увеличить
A - начало и прекращение полета жука под воздействием электрических импульсов различной формы. По вертикальной оси - шум летящего насекомого. B - управление высотой полета: снижение. C, D - повороты влево и вправо при помощи стимуляции мышц, управляющих крыльями. Разным цветом показаны полеты разных представителей Mecynorrhina torquata.

Разность потенциалов, подаваемая при помощи электродов к левой и правой зрительным областям жука, оказалась весьма надежным способом вызывать и прекращать его полет.

Нервная система, получив сигнал к действию, дальше сама посылает ритмические команды мышцам, чтобы поддерживать полет.

Разная форма сигнала, подаваемого на электроды, оказывает различное воздействие: последовательность импульсов частотой 100 Гц приводит к началу полета, а один сигнал продолжительностью в секунду - прекращает его. Среднее время полета, которое жук поддерживает, получив подобный сигнал - 45 секунд, но разброс весьма велик (он составил от одной секунды до почти 40 минут).

Повороты

Наиболее простым способом управления направлением полета является воздействие на мышцы. Импульсы высокой частоты (порядка 100 Гц), подводимые к мышцам, управляющими крыльями, усиливают работу данного крыла и насекомое поворачивает в противоположную сторону. Но есть и более любопытные и энергетически эффективные способы.

Перед тем как поменять направление полета, насекомые, обладающие подвижной шеей, как правило, разворачивают голову в нужном направлении, что позволило осуществить весьма элегантный способ "руления", который напоминает управление лошадью: при помощи повода и уздечки всадник немного разворачивает голову животного и оно разворачивается в ту же сторону.

Повороты бабочки показаны зеленой линией.

Используя схожий принцип, группе Боцкурта удалось управлять направлением движения бабочки Manduca sexta, подавая электрический потенциал к мышцам ее шеи.

Будущее технологии

Создание насекомых-киборгов, способных к управляемому полету - довольно молодая область биотехнологий. К настоящему моменту достигнуты определенные успехи: нащупаны управляющие центры, которые делают возможным начало полета, изменение направления и "посадку". Все эти операции не опасны для насекомых и вполне совместимы с их естественной жизнедеятельностью.

Основная сложность, с которой столкнулись ученые - это огромная индивидуальная вариабельность реакции насекомого на управляющий импульс. Один жук в ответ на стимуляцию полетит несколько секунд, другой - пару минут. Решение этой проблемы позволит не только делать более надежных насекомых-киборгов, но и повлечет за собой лучшее понимание принципов работы нервной системы в целом.

Что касается практических применений подобных разработок, то основной интерес тут, конечно, у военных. Многие разработки в этой области спонсируются агентством DARPA. Легкое, незаметное насекомое, которое могло бы передавать аудио- и видеосигнал - мечта любого разведуправления. Киборги-насекомые могли бы попадать в труднодоступные для обычных роботов и людей места. Но необходимо пройти еще нелегкий путь в доведении подобных систем до возможности эффективного применения.

Александр Манолов / CNews