Неінвазивні електроди перетворили таргана на кіборга без шкоди для його здоров'я

Інженери розробили керуючі електроди для електростимуляції, за допомогою яких можна перетворити таргана на кіборга без завдання шкоди здоров'ю комахи. Однією стороною електроди підключаються до рюкзачка з керуючою електронікою на спині таргана, а іншою - до його зовнішніх органів чуття і тіла за допомогою струмопровідного полімерного гелю. Цей спосіб не вимагає незворотних хірургічних операцій, які застосовувалися попередніми способами імплантації. Статтю опубліковано в журналі npj Flexible Electronics.

Ключова проблема розробки мініатюрних роботів, розміром можна порівняти з комахами, пов'язані з відсутністю відповідної компактної компонентної бази, особливо ефективних актуаторів і джерел питания. Одне з альтернативних рішень полягає в тому, щоб замість спроб імітувати можливості живих організмів використовувати як платформу справжніх комах, які вже вміють ефективно пересуватися в різних умовах.

Для таких експериментів часто використовують мадагаскарських тарганів, що шипають, завдяки їх великому розміру і порівняно високої вантажопідйомності. Інженери давно навчилися контролювати їхні рухи за рахунок стимуляції електричними імпульсами зовнішніх органів дотику та нюху — вусиків-антен та церок (усикоподібні органи в задній частині тіла комахи). Надходження стимулюючого імпульсу викликає у таргана ілюзію, що він натрапив на перешкоду. Якщо стимулюється права частина, то тарган повертає вліво та навпаки.

Зазвичай для того, щоб приєднати управляючі електроди до антен комахи, вони обрізаються, після чого тонкий провідний срібний дріт імплантується в місце зрізу. Це спосіб завдає незворотної шкоди тварині, і крім своєї негуманності веде до втрати природної здатності виявляти перешкоди навколо себе і самостійно ухилятися від них. Щоб уникнути цього, інженери з Сінгапуру та Китаю під керівництвом Хіротакі Сато (Hirotaka Sato) з Наньянського технологічного університету розробили неінвазивний варіант електродів, підключення яких не завдає шкоди організму комахи.

Електрод складається з шару полімерного гель-електроліту, що має іонну провідність, і нанопленки золота на гнучкій поліімідній підкладці. Поліелектроліт наноситься на вусик таргана в рідкій формі для забезпечення щільного контакту без повітряних проміжків, які можуть виникнути через велику кількість волосків, а потім полімеризується за допомогою ультрафіолету. Поверх нього накладаються решта шарів електрода у формі петлі, після чого скріплюються навколо антени за допомогою пластикової мініатюрної стяжки. Закріплені електроди не залишають пошкоджень на тілі таргана і можуть бути видалені без наслідків для комахи.

Як платформа для таргана-кіборга були обрані чоловічі особини мадагаскарського таркака з довжиною тіла від п'яти до семи сантиметрів і масою від шести до восьми грам. До їх вусиків прикріплюються неінвазивні електроди для управління напрямом руху. Між сегментами черевця встановлюється електрод, що стимулює рух таргана вперед, а також заземлюючий електрод. Вони відрізняються за конструкцією від електродів, що відповідають за напрямок руху.

Для їх створення простір між вибраними сегментами черевця заповнюється провідним гелем, який вставляється срібний дріт. Зверху для механічної міцності конструкція покривається скотчем. Керують тарганом за допомогою команд, які посилаються з комп'ютера через Bluetooth на приклеєний до спини таргана рюкзачок з мікроконтролером, який генерує послідовності імпульсів, що управляють. Вони передаються через підключені до рюкзачка електроди до тіла комахи-кіборга.

Для демонстрації ефективності управління за допомогою нових електродів інженери провели ряд експериментів, у яких тарган-кіборг мав слідувати за заданим маршрутом. У першому тесті тарган рухався маршрутом у формі символу «S», підкоряючись командам оператора. У другому експерименті тарган мав подолати «лабіринт» із розкладених на тестовому майданчику шматків цегли. При цьому шлях прокладався автоматично системою, яка відслідковувала становище таргана на полі за допомогою камер системи захоплення рухів, які розміщені навколо майданчика. При цьому тарган, виявляючи перешкоду за допомогою своїх неушкоджених антен, міг самостійно вибирати, з якого боку його оминати.

Як корисне навантаження комаха-кіборг може нести мініатюрну камеру, розроблену спеціально для такого випадку американськими інженерами. Камера може повертатися по вертикалі та горизонталі, знімати відео із частотою п'ять кадрів на секунду та в реальному часі передавати його на смартфон. При цьому маса камери становить менше чверті грама, завдяки чому комахи з нею можуть вільно пересуватися та утримувати рівновагу.