Біонічні комахи. Агенція DARPA намагається створити солдат майбутнього. Американські дослідники впроваджують системи управління польотом у різних видів для військового використання

жуків-кіборгів

Наук 28.12.2009 08:00

Слуга Мікеланджело

Як і у найжахливішому фільмі B, армія колеоптера летить дистанційно під управлінням зловісних військових. Здатні розпізнавати місцевість, нести датчики хімічної війни або передавати повідомлення, комахи є форпостом у майбутніх війнах. Сценарій не є роботою неспокійного розуму, а деяких найзнаменитіших в Америці. Агенція DARPA, що підпорядковується міністерству оборони цієї країни, та кілька найкращих американських університетів працюють з жуками, моллю та іншими біонічними комахами з 2006 року. Тепер, витративши кілька мільйонів доларів, приходять перші результати.

Проект називається HI-MEMS (Гібридні комахо-мікроелектромеханічні системи, його абревіатура англійською мовою) і спрямований на розміщення механічних частин у живих істотах. Ці тварини-кіборги працювали б за бажанням свого господаря. Цього разу DARPA прагне вставити крихітні артефакти в комах на їх стадії личинки або лялечки. Завдяки цьому проводка інтегрується в тіло тварини, коли вона досягає дорослого. До цього плану приєдналися чотири групи дослідників з таких університетів, як Каліфорнія в Берклі, штат Мічиган, Массачусетський технологічний інститут (MIT), Техаський університет A&M або Інститут Бойса Томпсона, вдосконалений центр біологічних досліджень при Корнельському університеті.

Система розміщується на стадії лялечки для дорослого, щоб інтегрувати її в своє тіло

Побачити, як відлітає величезний жук завдовжки чотири і більше дюймів, як Megasoma elephas або Mecynorrhina torquata, відлітає. Але, бачачи, як у задній частині кімнати хтось керує своїм польотом за допомогою комп’ютера, це викликає занепокоєння. Дослідники з кафедри електронної та обчислювальної техніки Університету Берклі кілька тижнів тому опублікували статтю у спеціалізованому журналі "Frontiers in Integrative Neuroscience" під назвою "Радіодистанційне управління у літаючих комах". Поряд зі статтею, в якій описуються його останні досягнення, є серія відео, які підтверджують успіх.

Зображення показують, як різні жуки рухають крилами, спочатку прикріплені до троса, а пізніше в польоті, але за бажанням людини-оператора. У дослідженні також брали участь ентомологи та інженери з університетів штату Арізона та Мічигану.

Дослідники вибрали цих великих жуків для того, щоб вони могли нести додаткове навантаження від 20% до 30% їх ваги. Також був врахований факт використання двох крил асинхронно для польоту перед іншими комахами, які їх били одночасно. Хоча конкретний нервовий шлях, який керує ініціюванням і припиненням польоту, до кінця не зрозумілий у жодної комахи, у роботі вони пояснюють, що вони мали намір "ініціювати, зупиняти і модулювати коливання крил шляхом прямої електричної стимуляції мозку".

Для контролю поворотів та зміни напрямку руху струм подавали на ліву та праву балалярні м’язи (розташовані в грудній клітці тварини, вони беруть участь у контролі польоту). Проводка закінчується мініатюризованою системою управління радіочастотою, прикріпленою до задньої частини жука.

Електропроводка до метаморфози

Подаючи імпульс на базальний м’яз, тварина повертається вправо або вліво

Кабелі для мікроконтролера не прокладаються, коли тварина доросла. Хірургічне введення до чотирьох електродів, один з них у мозок, може вбити тварину або, принаймні, її моторику. Те, що зробили вчені, - це прокласти проводку, коли жук знаходиться в лялечці. У міру розвитку в коконі живі тканини покривають дріт. Комаха робить його своїм. Потрібно лише почекати, поки метаморфоза завершиться, і застосувати завантаження буквально.

Ця каліфорнійська команда, очолювана професором Мішелем Махарбізом, піддавала різні колеоперати негативним і позитивним електричним імпульсам 3,2 вольта. Нижче цього рівня помилки не реагували. У випадку торцита Mecynorrhina десять використовуваних кіборгів вилетіли, відчувши розряд. Уже в польоті вам довелося підтримувати стимул.

Завдяки послідовним випробуванням та помилкам дослідники досягли польоту, підтримуваного певною частотою електричних імпульсів. Нарешті, розворот, який, здавалося б, був би більш складним, був легким. При застосуванні пульсу до лівої базальної м’язи тварина поверталася вправо (і навпаки) у 75% випадків. Крім того, залежно від тривалості розряду, кут повороту змінювався.

Потрібно ще багато чого зробити, наприклад, ще більше зменшити механізм, краще зрозуміти нервові шляхи, що контролюють крила, або систематизувати дані польоту, щоб створити комп’ютерну програму, яка контролює комаху. Але цілі DARPA ближче до досягнення. Специфікація програми HI-MEMS передбачає кіборга, здатного літати на 100 метрів і стояти в певній зоні з похибкою в п’ять метрів, все керовано.

Імплантант радіоактивного ізотопу може активізувати весь механізм

З GPS на буксирі

Але програма DARPA не обмежується лише жуками-проводками. Кінцевою метою є боротьба з роєм комах для військового використання. Як і для чого - це відкриті питання. Серед можливих місій - здійснення шпигунства та розвідки без виявлення. Для цього потрібно буде вставити систему, яка дозволяє розміщувати кожну комаху на карті. Випромінювання радіохвиль або використання GPS є двома з можливостей. Також вивчається включення камери для показу того, що бачить комаха.

Але, з кожною унцією додаткового технічного корисного навантаження, стає менше видів кандидатів, які можуть нести радіоприймач/випромінювач, GPS, схему та акумулятор для живлення всього цього. Насправді вага є одним із факторів, що обмежує результат. Незважаючи на те, що він був протестований на інших видах жуків або молі (таких як Manduca sexta), менших, але перспективних, їх менша пропускна здатність виключала їх дотепер.

Інша група дослідників, можливо, знайшла спосіб освітлити комах: замінити важку батарею радіоактивним ізотопом. Нещодавно вчені з Корнельського університету представили прототип передавача, що живиться від радіоактивного ізотопу, нікель-63, який може видавати імпульси потужністю 5 міліват на рік на ярмарку мікроелектромеханічних систем (MEMS) в Балтіморі (США).

Довговічність ускладнюється його невеликими розмірами: все ще на етапі створення прототипу він ледве покриває квадратний сантиметр. Професор Аміт Лал є членом команди, яка його розробила. Так трапляється, що Лал розпочав програму HI-MEMS у 2006 році.

Ні Лал, ні професор Махарбіз не хочуть детально розробляти свої експерименти. Насправді, незважаючи на обсяг технічних даних, які вони представляють у своїх наукових статтях, решта дослідників не хочуть відповідати на запитання щодо наступних кроків, які вони мають намір зробити, які інші види цікаві або якщо такий тип етичних проблем позує їм. "Ні DARPA, ні її дослідники, ні вчені, які співпрацюють у програмі HI-MEMS, не відповідають на запитання з цього приводу", - пояснюють вони з агентства.

Вони розраховують на те, що існує чотири групи, що складаються з дослідників з різних університетів. Вони також виявляють, що вже витрачено трохи більше восьми мільйонів євро. Після перших двох фаз (введення в стадію лялечки та контроль вільного польоту), ми зараз працюємо над вдосконаленням цього контролю. Для цього буде відкрито кілька напрямків досліджень. На додаток до нейрональної та м’язової електростимуляції команди професора Махарбіза, інші будуть вивчати, як стимулювати та контролювати політ, використовуючи природну реакцію тварини на тактильні подразники (наприклад, з мікрохвилями) та візуальну (вдаються до низькочастотного випромінювання) . Нам доведеться почекати до 2010 року, щоб дізнатися результат.

У травні 1964 року професор Єльського університету стояв перед биком і викликав його накидкою в кордовській арені. Тварина, вірна своїм інстинктам, зарядилася. Але за кілька сантиметрів від його злову він зупинився. Фанатом тореадора був іспанець Хосе Дельгадо, піонер втручання в поведінку тварин за допомогою електричних подразників. Висланий до США після Громадянської війни, Дельгадо розробив систему стиморецепторів, за допомогою якої за допомогою низки електродів він стверджував, що може маніпулювати поведінкою тварин. Дельгадо випробував його на мавпах, собаках, котах і навіть на людях.