Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2012 № 07

Работы по созданию киберкопий насекомых начались довольно давно, в 80-х годах XX века. Ученые и инженеры Массачусетского технологического института построили в то время аппарат Ghenhis . В 2001 году здесь же был создан робот, напоминающий таракана; он мог довольно быстро двигаться даже по неровным поверхностям.

Еще быстрее, чем тараканы, перемещаются летающие насекомые. Об этом исследователи тоже не забыли. На протяжении последних десятилетий они ведут изучение проблем машущего полета и управления им. Они хотят понять, благодаря чему, например, плодовые мушки-дрозофилы способны летать с недостижимыми пока для созданных человеком систем точностью и эффективностью.

Так, один из наиболее совершенных ныне роботов-насекомых — крошечный летающий аппарат Deify Micro , весящий 3 г, — может провести в воздухе всего три минуты из-за батарейки, которая составляет треть его веса.

В общем, похоже, что легче научиться управлять живыми летательными аппаратами, чем строить самим, — задумались они.

В 1993 году немецким исследователем Д. Кутшем и его коллегами была разработана система весом всего 0,42 г, которая передавала по радио электромиограмму — сигнал активности отдельной мышцы насекомого. Затем ученые добавили еще один радиоканал для считывания мозговой активности и в итоге получили важные данные по взаимодействию мышц и рецепторов во время полета.

Оставалось на основе полученной информации разработать алгоритмы управления активностью тех или иных мышц, чтобы управлять полетом насекомого по своему усмотрению.

Для этого разные группы ученых используют разные способы и оборудование. Так, команда Калифорнийского университета в Беркли, возглавляемая Хиротаки Сато, применяет 8-канальную радиосистему под управлением микроконтроллера. Применение керамических антенн позволило добиться малого размера и веса конструкции.

Команда, возглавляемая Алпером Боцкуртом из университета Северной Каролины, применяет двухканальную систему, включающую АМ-приемник собственной конструкции и микроконтроллер PIC. Однако это оборудование пока настолько громоздко и тяжело, что его поднимает в воздух не само насекомое, а особый воздушный шарик, наполненный гелием.

Исследователи Массачусетского технологического института использовали чип-приемник, который работал по беспроводному протоколу 802.15.4а, потребляя при этом рекордно малое количество энергии — 2.5 милливатта (1,4 наноджоуля на один бит информации) при скорости передачи данных в 16 Мб/с. Приемник был связан с микроконтроллером, а электроды вживлялись насекомому еще на стадии куколки, и 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, но и научиться отдавать приказы нервной системе, которая сама уже позаботится об их исполнении. Сигналы, посылаемые в мозг таким образом, контролируют полет насекомого.

Если в помещении, где летает жук Mecynorhina ugandensis из подсемейства бронзовых, выключить свет, то он тут же садится. Подобное поведение жука подсказало ученым из группы Хиротаки Сато идею управлять полетом при помощи сигналов, посылаемых в зрительную часть мозга насекомого. Разность потенциалов, подаваемая при помощи электродов к левой и правой зрительным областям жука, заставляет насекомое лететь туда, где, как ему кажется, светлее. Причем нервная система, получив сигнал к действию, дальше сама посылает команды мышцам, чтобы поддерживать полет.

Основная сложность, с которой столкнулись ученые, — индивидуальность реакции насекомого на управляющий импульс. Один жук в ответ на стимуляцию летает несколько секунд, другой — две минуты. Стандартизация позволит не только делать более надежных насекомых-киборгов, но и повлечет за собой лучшее понимание принципов работы нервной системы в целом.

Группой ученых-нейробиологов из Германии был создан симулятор полета для обычных мух. Используя это устройство, ученые из Института нейробиологии Макса Планка надеются улучшить обработку динамических изображений для дальнейшего применения этой технологии в робототехнике.

Симулятор представляет собой специальный дисплей с циклически изменяющимся изображением. Насекомое удерживается перед дисплеем на месте с помощью тончайших проводов, которые одновременно являются электродами, позволяющими регистрировать реакции мозговых и нервных клеток на раздражители.

Изображение в симуляторе для мух.

И это не единственный способ управления. Перед тем как поменять направление полета, многие насекомые, обладающие подвижной шеей, как правило, разворачивают голову в нужном направлении. Это позволяет осуществить весьма элегантный способ «руления», который напоминает управление лошадью: при помощи повода и уздечки всадник немного разворачивает голову животного, и оно следует в ту же сторону. Так, используя схожий принцип, группе А. Боцкурта удалось управлять направлением движения бабочки Manduca sexta , подавая электрический потенциал к мышцам ее шеи.

Наконец, мухи-дрозофилы из Йельского университета взлетают, подчиняясь нажатию кнопки. Этому простому действию предшествовала сложная процедура.

Для начала мух изменяют на генетическом уровне. Им встраивают специальный ген, информация с которого считывается при синтезе белка, воздействующего на участок нервного узла в теле насекомого, который отвечает за паническую реакцию. Под действием страха муха взлетает. Но как заставить ген вырабатывать белок в нужный момент? Для этого насекомому вводят молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) в специальной оболочке, которая разрушается под воздействием ультрафиолетового излучения. Нажимая на кнопку, ученые включали излучение. Молекулы АТФ освобождались от оболочки, воздействовали на модифицированные гены в клетках нервного узла, те вырабатывали белок, который раздражал центр паники. После этого до 80 % мух тут же взмывали в воздух.

Схема установки для контролируемого полета насекомого. Для того чтобы вес электронных компонентов не мешал полету, они прикреплены к наполненному гелием шарику.

Цифрами обозначено: 1— баллон с гелием, 2— пластиковая трубка, 3— магнит.

Руководитель проекта Геро Мизенбек надеется, что таким образом можно будет управлять не только мухами и тараканами, но даже млекопитающими, например, мышами. Причем им даже не придется делать инъекции АТФ — достаточно будет дать это вещество в виде таблеток или капель.