Учёные создали миниатюрный водолазный костюм для тараканов-киборгов

Исследователи разработали миниатюрный водолазный костюм, напечатанный на 3D-принтере, который позволяет тараканам-киборгам дышать и свободно передвигаться под водой, а также работать в условиях недостатка кислорода на протяжении трёх часов. Разработка может значительно расширить возможности подобных гибридных систем при проведении поисково-спасательных операций в затопленных районах, а в перспективе — даже использоваться для исследования других планет.

В отличие от традиционных роботов, тараканы-киборги представляют собой гибридные системы, сочетающие живой организм и электронные устройства. В тело насекомого интегрируются миниатюрные электронные контроллеры, позволяющие дистанционно управлять его движениями. При этом передвижение осуществляется за счёт собственных мышц насекомого, благодаря чему расход энергии оказывается значительно ниже, чем у полностью роботизированных систем.

Такой подход имеет сразу несколько преимуществ. Роботы нуждаются в мощных аккумуляторах для питания приводов и исполнительных механизмов, что увеличивает их массу и ограничивает время автономной работы. Киборги же используют естественную мускулатуру и способны самостоятельно получать энергию из пищи, существенно снижая требования к электронике и источникам питания.

На протяжении последних лет учёные активно исследуют возможности использования насекомых-киборгов для выполнения сложных задач, включая поиск людей под завалами после стихийных бедствий, обследование опасных объектов и проникновение в труднодоступные пространства. Благодаря небольшим размерам и высокой манёвренности такие насекомые способны перемещаться там, где человеку или крупному роботу пройти практически невозможно.

Однако до настоящего времени главным ограничением оставалась дыхательная система насекомых. Тараканы, как и многие другие виды, включая саранчу, дышат через небольшие дыхальца, расположенные по бокам грудного отдела. Через них воздух поступает в трахейную систему, где происходит газообмен. При погружении под воду или в среду с очень низким содержанием кислорода такой механизм перестает эффективно работать.

Чтобы решить эту проблему, специалисты из Наньянского технологического университета (Сингапур) совместно с учёными Университета Васэда (Япония) разработали гибкий миниатюрный водолазный костюм, специально адаптированный для тараканов-киборгов.

По словам руководителя исследования Хиротаки Сато из Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии Наньянского технологического университета, подобная технология особенно важна для реальных спасательных операций, поскольку после сильных ливней и наводнений доступ к пострадавшим нередко оказывается перекрыт затопленными завалами, канализационными системами и узкими проходами. Расширение возможностей киборгов-насекомых позволит использовать их и в подводной среде, что способно повысить эффективность поисково-спасательных работ.

Миниатюрный костюм состоит из трёх основных компонентов: резервуара для выработки кислорода, гибкой герметичной оболочки и четырёх силиконовых трубок, подающих кислород непосредственно к дыхальцам насекомого. Вся конструкция образует автономную систему, которая одновременно защищает таракана от попадания воды внутрь дыхательной системы и обеспечивает постоянную подачу кислорода.

Резервуар был изготовлен методом 3D-печати из полимерной смолы на основе ПММА. Внутри него размещена губка, пропитанная диоксидом марганца, который служит катализатором химической реакции. После введения небольшого количества разбавленной перекиси водорода начинается медленное выделение кислорода. Затем отверстие герметизируется специальным ультрафиолетовым клеем, предотвращающим утечку жидкости.

Получаемый кислород по силиконовым трубкам поступает непосредственно к дыхальцам таракана, позволяя ему нормально дышать как под водой, так и на суше.

Соавтор исследования Синдзиро Умэдзу из Университета Васэда отметил, что основной инженерной задачей было создание системы, которая одновременно оставалась бы достаточно компактной, лёгкой и гибкой, чтобы насекомое могло свободно переносить ее на себе, но при этом обеспечивала бы выработку достаточного количества кислорода для продолжительного пребывания под водой.

Для проверки эффективности новой системы исследователи использовали мадагаскарских шипящих тараканов (Gromphadorhina portentosa), которые широко применяются в исследованиях киборгов-насекомых благодаря своим крупным размерам, высокой выносливости и отсутствию крыльев. По словам учёных, крепление и снятие дыхательных трубок не вызывало у насекомых никаких признаков повреждений.

Испытания проводились в специально изготовленных пластиковых туннелях, имитировавших различные условия эксплуатации, включая полностью затопленные проходы и камеры, заполненные углекислым газом для моделирования среды с низким содержанием кислорода.

Результаты показали, что тараканы-киборги могли непрерывно перемещаться под водой на глубине около 30 сантиметров в течение трёх часов без каких-либо повреждений организма. Скорость их движения достигала 78,4 миллиметра в секунду, что примерно на 10 миллиметров в секунду меньше средней скорости передвижения на суше.

Авторы отмечают, что подобные насекомые уже принимали участие в демонстрационных поисково-спасательных операциях. В частности, они использовались во время учений Lionheart после разрушительного землетрясения магнитудой 7,7, произошедшего в Мьянме в прошлом году. В настоящее время учёные также разрабатывают технологии применения насекомых-киборгов для инспекции объектов инфраструктуры и готовятся испытать новый водолазный костюм в условиях, максимально приближенных к реальным чрезвычайным ситуациям.

Исследователи считают, что в дальнейшем аналогичная система может быть адаптирована и для других насекомых-киборгов, например саранчи, поскольку строение их дыхательной системы во многом схоже с устройством дыхательной системы тараканов.

Кроме того, Хиротака Сато заявил, что долгосрочная цель проекта выходит далеко за пределы Земли. По его словам, эта технология может стать первым шагом к созданию своеобразных «космических скафандров» для насекомых-киборгов, которые однажды смогут использоваться при исследовании поверхности Марса и других планет.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.