Группе ученых удалось соединить электронные компоненты с нервной системой мадагаскарских тараканов, чтобы взять под контроль их движения. Это дистанционное управление достигается путем стимуляции церциев (придатков на конце брюшка) насекомых. В один прекрасный день эта технология может быть использована для поисково-спасательных операций в городских районах, мониторинга окружающей среды или осмотра опасных зон.
Это не первый случай, когда команда разрабатывает таких роботизированных насекомых. Однако предложенные до сих пор устройства имеют ограниченную функциональность и диапазон действия из-за доступной энергии. Фактически, дистанционное управление подразумевает использование батареек, которые обязательно имеют ограниченный объем и вес, учитывая размеры насекомых. Одна из стратегий заключается в том, чтобы вернуть насекомое-киборга в зону подзарядки до того, как его батарея разрядится, но этот подход непрактичен (особенно в условиях чрезвычайной ситуации).
Альтернативой является добавление устройства для сбора энергии непосредственно к насекомому в виде ферментного биотопливного элемента. Но самая высокая мощность, полученная таким способом, составляет 333 мкВт (микроватт). Однако для управления беспроводной локомоцией (как и для других продвинутых функций) требуется несколько милливатт. Поэтому японская команда из RIKEN придумала использовать солнечный элемент, который может генерировать 10 мВт/см2 или даже больше в солнечную погоду. Спроектированный ими ультратонкий органический солнечный модуль достиг выходной мощности 17,2 мВт.
Устройство, которое идеально адаптируется к морфологии насекомого
Исследователи создали дистанционно управляемых тараканов-киборгов, оснащенных беспроводным модулем управления, питающимся от аккумулятора, прикрепленного к солнечной батарее. Используемые насекомые, мадагаскарские тараканы (Gromphadorhina portentosa), могут достигать 6-7 сантиметров в длину, поэтому команде пришлось разработать крошечное носимое устройство, содержащее все необходимые компоненты, которое надежно крепилось бы к спине насекомого, не мешая его естественным движениям.
Для этого они использовали 3D-печатную модель таракана с эластичным полимером. Их конечный продукт выглядит как небольшой рюкзак, который идеально прилегает к изогнутой поверхности насекомого и может оставаться стабильным на грудной клетке более месяца; он включает в себя беспроводной модуль управления и литий-полимерный аккумулятор. Ультратонкий (толщиной 4 мкм) органический солнечный элемент был установлен на задней части брюшка; его вес на эффективную площадь составляет примерно 5 г/м2.
Используемые гибкие материалы и ультратонкие электронные устройства совершенно не мешают движениям тараканов. Чтобы убедиться в этом, ученые внимательно изучили естественные движения этих насекомых: оказалось, что их брюшко меняет форму, а части экзоскелета перекрываются во время движения. Чтобы учесть это, на пленках солнечных элементов они разместили клейкие и неклейкие участки, сделав их одновременно фиксированными и гибкими.
Ранее они испытывали более толстые или равномерно прикрепленные пленки, но тараканам требовалось в два раза больше времени, чтобы преодолеть то же расстояние, и им было трудно выпрямиться, когда они лежали на спине. «Комбинация электроники из ультратонкой пленки и переплетающейся структуры «клейкое — не клейкое» на брюшке насекомого показала более 80% успеха в попытках самовыпрямления«, — сообщают исследователи в журнале npj flexible electronics.
