Несмотря на огромные технологические успехи, создаваемые людьми роботы все еще сильно проигрывают живым системам по эффективности расхода энергии. Поэтому наряду с производством роботов, создаваемых по образу и подобию живых организмов, ученые и инженеры также занимаются созданием животных-киборгов, поведение которых можно контролировать.

В настоящее время управление поведением животных при помощи электрических сигналов стало привлекать внимание ученых не только как средство изучения тайн мозга, но и как возможный способ создания особых устройств, животных-киборгов, которые бы выполняли те или иные задания.

Наиболее интересным объектом с этой точки зрения являются насекомые.

Представители этого класса обладают способностью перемещаться любым из известных нам способов. Они ползают, плавают, бегают (некоторые даже на двух ногах), летают. При этом они очень эффективно расходуют энергию, что и позволило этой группе организмов освоить все известные среды обитания, превратив практически любой уголок нашей планеты в свой дом.

Способы передвижения насекомых давно уже вдохновляют изобретателей. В 1980-х годах ученые и инженеры начали построение роботов, имитирующих передвижение насекомых (например в MIT построили аппарат Ghenhis). В 2001-м году был создан напоминающий таракана робот, который мог перемещаться по сложным, неровным поверхностям. Полет насекомых также привлекает внимание робототехников. На протяжении последних десятилетий ведется интенсивное изучение аэродинамики, механики полета и нейрофизиологии управления им – всего того, что позволяет такому крошечному существу, как плодовая мушка, летать с недостижимой пока для созданных человеком систем точностью и эффективностью.

Рис. 1. Робот Rhex.

Хотя знаний о полете насекомых накопилось достаточно, текущий технологический уровень еще не позволяет создавать крошечных летающих роботов, подобных насекомым, которые бы смогли перемещаться автономно достаточно долгое время. Одна из основных трудностей – энергетическая. Развитие элементов питания происходит крайне медленно. Батареи достаточной для поддержания полета емкости слишком тяжелые, а энергии подобные роботы требуют немало. Ведь помимо создания подъемной силы необходимо еще питать датчик ускорения, видеосистему и обрабатывать видеоинформацию так, чтобы предотвратить столкновения с препятствиями. Один из наиболее совершенных в настоящий момент роботов-насекомых – крошечный летающий аппарат Delfy Micro, весящий три грамма, – может проводить в воздухе всего три минуты благодаря батарейке, которая составляет треть его веса.

История животных-киборгов

История управления поведением животных при помощи сигналов, посылаемых в мозг, берет начало с середины прошлого века. Уже в 1950-х годах испанскому нейрохирургу Хосе Дельгадо (Jose Delgado) удалось при помощи стимуляции определенных зон мозга кошки заставлять ее поднимать лапу.

Большой общественный резонанс получил его эксперимент 1965-го года, когда он вживил электроды в центр агрессии быка и не побоялся встретиться с ним на арене. Вместо острой шпаги в руках у Хосе был пульт управления. По нажатию кнопки в хвостатое ядро мозга животного посылался электрический импульс. Эксперимент прошел успешно для обоих участников: Дельгадо успел нажать на кнопку и разъяренный бык остановился перед ученым, не нанеся ему вреда.

Дельгадо был не только талантливым ученым, но и хорошим инженером. Он разработал стимосиверы – радио-устройства, которые, с одной стороны, в ответ на радиосигналы посылали электрические сигналы в мозг животного, а с другой, служили радиопередатчиками, транслирующими мозговую активность животных – электроэнцефалограмму. Стимосиверы позволили проводить эксперименты, не ограничивая свободу перемещения животного.

Другой известный эксперимент был проведен им на самце макаки-резус, который был вожаком своей группы. Как и любой вожак у макак, он весьма жестоко обходился со своими подопечными, преследуя и запугивая их. Ему был вживлен стимосивер, посылающий сигналы в зону агрессии. Отличие состояло в том, что кнопка управления, нажатие на которую довольно быстро усмиряло самца, находилась в вольере с животными, так что другие члены его группы имели к ней доступ. Одной из подчиненных самок удалось обнаружить закономерность между нажатием кнопки и поведением самца. Это не только помогло ей избегать нападок вожака, но сильно повысило ее авторитет в группе – наилучшая награда для социальных приматов.

Хосе Дельгадо стал первопроходцем в области имплантации электродов в мозг. С тех пор уже никто не сомневался в том, что поведением животных можно управлять таким образом.

Радиоуправление насекомыми

Сложность решения проблем с летающими роботами служит мотивацией к разработкам иного типа. Идея состоит в том, чтобы использовать столь совершенную и энергетически эффективную систему, как живое насекомое, и осуществлять дистанционное управление полетом, отдавая «команды» непосредственно в его нервную систему.

Разработки беспроводных телеметрических систем для насекомых ведутся с 1990-х годов. Изначально подобные системы применялись преимущественно в научных целях для считывания активности мозга или мышц насекомых во время их свободного перемещения. Так, в 1993-м году Кутшем (Kutsch) и его коллегами была разработана система весом всего 0,42 грамма, которая передавала по радио электромиограмму – уровень 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. Получить подобную информацию, изучая зафиксированных насекомых, было просто невозможно.

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.

Рис. 2. Жук с установленной на нем системой для контроля полета.

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.

Рис. 3. Система контроля полета. Слева – вид сверху, видна батарейка и индикатор. Справа – вид снизу, видны микроконтроллер, микрофон, антенна.

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.

Рис. 4. Общий вид установки для контролируемого полета насекомого (A). Для того чтобы вес электронных компонентов не мешал полету, они прикреплены к небольшому наполненому гелием шарику (B, С). Части устройства: магниты для крепления к шарику, батарейка, соединительные элементы, радиопередатчик и приемник, батарейка, электроды.

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.

Рис. 5. Роботизированная бабочка. Электроды необычной формы (A, B) вживляются насекомому еще на стадии куколки (С), когда появляется взрослая особь (D) они оказываются надежно интегрированы в ее организм. E – нервная ткань, наросшая поверх электрода в процессе роста организма.

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.

Рис. 6. 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.

Рис. 7. 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.

Автор: Александр Манолов.