Ученые создали жуков-киборгов

http://lenta.ru/articles/2009/10/14/beetle/

14.10.2009, 10:50:37 Александр Амзин

Жук с вживленным электродом.
Кадр из видеозаписи исследователей MIT с сайта mit.edu

Исследователям из Калифорнийского университета в Беркли удалось вживить жукам электроды в мозг и мускулы и при помощи специального устройства дистанционно управлять полетом насекомых. Целью агентства DARPA, финансирующего опыты, является создание киборга, который сможет пролететь по меньшей мере сто метров, приземлиться в пяти метрах от цели и оставаться на месте до следующего приказа.

Из требований вытекает назначение начиненных электроникой насекомых - разведывательные полеты и изучение мест, куда не может пробраться человек или крупный военный робот. Впрочем, эксперименты могут найти и гражданское применение - управляемые жуки пригодятся пожарным, правоохранительным органам, а также многим другим ведомствам и организациям.

Для опытов команда ученых под руководством Мишеля Махарбиза (Michel Maharbiz) и Хиротаки Сато (Hirotaka Sato) взяла зеленых июньских жуков Cotinis nitida, обитающих на юге Соединенных Штатов, "африканца" Mecynorrhina torquata, а также "южноамериканца" Megasoma elephas, более известного как Мегасома слон. Размер первого достигает 28 миллиметров, в то время как второй может вырасти до размера человеческой ладони. Третий входит в число крупнейших жуков в мире - его длина составляет до 120 миллиметров.

Чем жук больше, тем он сильнее и тем выше его грузоподъемность. Именно этот фактор является главным ограничителем в исследованиях. В случае Megasoma Elephas, например, электронная нагрузка не должна превышать четырех граммов, а лучше - быть гораздо меньше. В идеале в комплект, кроме системы управления и батареи, желательно включить камеру и GPS-модуль, но пока это остается фантастикой.

Чтобы изготовить киборга, берется куколка. В нее вживляются три электрода, микробатарея и микроконтроллер. Дальнейший механизм прост - достаточно дождаться, когда куколка станет жуком. Электроимпульсы регулируют частоту взмаха крыльев, отдельные команды заставляют жука взлетать и садиться. Для поворота на соответствующий мускул подается импульс, что заставляет жука сильнее махать тем или иным крылом.

Исследования ведутся с 2006 года. Вживить электроды в мозг насекомого ученым удалось еще в марте 2009 года, однако ранее в микросхеме задавался жесткий маршрут перелета. Теперь ученые научились управлять жуком с помощью ноутбука - без проводов.

Несмотря на этот прорыв, результаты пока довольно скромны. Средняя продолжительность управляемого полета составляет 45 секунд, хотя одна из особей умудрилась летать под управлением оператора в течение 30 минут. Теперь жуков будут учить огибать препятствия.

Работу ученых эксперты оценивают неоднозначно. С одной стороны, это первая попытка контролировать насекомых в воздухе - раньше все больше тренировались на тараканах. Эту попытку можно назвать успешной - точность управления поразительна, особенно если учесть, что сигнал задевает значительную часть мозга насекомого.

С другой стороны, никто до сих пор не решил вопрос с обеспечением электроники энергией. Надолго микробатареи не хватает. Не могут предоставить необходимую энергию ни солнечные батареи, ни пьезоэлектрики.

Кого не спросили об этом важном эксперименте, так это самих жуков. Ролик с их полетами (http://brightcove.newscientist.com/services/player/bcpid2227271001?bctid=42939806001) ничего, кроме жалости к несчастным насекомым, не вызывает.

Жуки-киборги на службе у военных

http://www.3dnews.ru/news/gigatskie_zhuki_kiborgi_na_sluzhbe_u_voennih/

16.10.2009 [18:00], Арсений Герасименко

Результаты недавно проведенных испытаний показали, что инициатива применения насекомых-киборгов в военном деле совсем скоро может стать реальностью.

Проект, возглавляемый группой ученых из Университета Калифорнии в Беркли (University of California in Berkeley) и финансируемый Управлением министерства обороны США по перспективным исследованиям и разработкам (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA), предусматривает создание системы, которая бы позволила осуществлять ручное управление живыми организмами (в данном случае - жуками) на расстоянии. Для этого специалисты работают с представителями трех видов насекомых, привезенных из США, Камеруна и Южной Америки: Cotinis texana длиной 2 см, Mecynorrhina torquata (7 см) и с гигантским Megasoma elephas длиной 20 см. На стадии куколки жукам были вживлены миниатюрные модули, позволяющие влиять на их нервную и мышечную активность. Кроме того, в состав "системы дистанционного управления" жуком входит аккумулятор, обеспечивающий автономную работу электроники и радиопередатчик.

По словам исследователей Хиротака Сато (Hirotaka Sato) и Мишеля Махарбиза (Michel Maharbiz), определенных успехов достичь уже удалось. К примеру, можно заставить жука взлететь, приземлиться, поворачивать в нужном направлении.

Необходимо отметить, что попытки управления насекомыми с помощью вживленных электронных модулей уже предпринимались, однако успешно сделать это в дистанционном режиме ученым удалось впервые.

В обозримом будущем жуков-киборгов ученые намерены применять в военном деле для транспортировки миниатюрных грузов. Кроме того, "механизированных" насекомых можно использовать для исследования труднодоступных районов и мест.

Летающие микро-убийцы MAV атакуют!

http://www.3dnews.ru/news/letaushie_mikro_ubiitsi_mav_atakuut/

18.12.2008 [10:00], Игорь Кузьмин

Исследовательская лаборатория ВВС США обнародовала видео, описывающее концепцию одной из новых программ министерства обороны США - программы MAV (Micro Air Vehicles) по разработке и созданию летающих микро-БЛА (беспилотных летательных аппаратов). В отличие от многочисленных аналогов, разработку которых ведут частные фирмы для DARPA, новые микро-роботы для ВВС будут использоваться не только в разведывательных целях, но и как биоморфное оружие.

Планируется создать два вида микро-БЛА: разведывательных робо-воробьев и роботизированных жуков. Электронно-механических роботов по внешнему виду и технике полета напоминающих небольших птиц, предполагается отправлять в зону разведки не поодиночке, а группой. Потом они будут распределяться по всей площади наблюдения и вести разведку в автономном режиме.

Обнаруживать необходимые цели и записывать их изображения они будут с помощью микро-камер, способных поворачиваться на 360 градусов. После обнаружения и предварительной классификации целей, информация о них будет передаваться в штаб для окончательного опознания и принятия решений по дальнейшим действиям. В случае необходимости они смогут продолжать слежку за целью в автономном режиме с периодической отправкой информации о местонахождении объекта.

Гораздо больший интерес вызывает робо-жук. В первую очередь потому, что в крайнем случае он может самоуничтожиться, поразив при этом взрывом, химическим или огневым воздействием важную цель: снайпера, пулеметчика или просто вражеского наблюдателя. К тому же они могут оснащаться приборами световой и лазерной подсветки для наведения на цель артиллерии или авиации. По технике полета робо-жук практически ничем не будет отличаться от своего живого прототипа и сможет также зависать в воздухе, ожидая развития событий и ведя наблюдение. Возможно, он даже сможет также передвигаться по вертикальным стенам и потолку с помощью специально оборудованных лапок.

Доставку большого количества микро-разведчиков на место назначения могут осуществлять беспилотные летательные аппараты Global Hawk или Predator. Робо-жуки как и разведывательные "воробьи" смогут в сжатые сроки обрабатывать большие площади, так как они будут координировать свои действия по радиосвязи не только со штабом, но и между собой. Автономное питание и режим ожидания роботов помогут им находиться в засаде очень долго, вплоть до нескольких недель и активироваться только в случае обнаружения потенциальной цели.

Атомная энергия для электроники кибержуков

http://www.3dnews.ru/news/atomnaya_energia_dla_elektroniki_kiberzhukov/

11.12.2009 [16:33], Денис Борн

На проходящей в Балтиморе международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 инженеры из Корнельского университета (Cornell University) представили результаты исследований, которые демонстрируют прогресс в области разработки радиоактивных источников питания для кибернетических организмов. В частности, профессор Амит Лел (Amit Lal) и аспирант Стивен Тин (Steven Tin) показали прототип микроэлектромеханического (microelectromechanical systems, MEMS) передатчика - радиоизлучающего устройства, получающего питание от источника с периодом полураспада 12 лет, что означает автономную работу в течение многих десятилетий. Исследователи считают, что новый RFID-передатчик, генерирующий 5-мВт импульсы длительностью 10 мкс на частоте 100 МГц, поспособствует распространению радиоизотопных элементов.

Исследование спонсируется агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency - Агентство передовых оборонных исследовательских проектов), курирующего и другой проект Лела и Тина - HI-MEMS (Hybrid Insect Micro-Electro-Mechanical Systems - гибридные микроэлектромеханические системы на жуках), в рамках которого создаются кибернетические организмы. По словам Тина, частью работы над радиоизотопными передатчиками является разработка источника энергии для насекомых. За четыре года учёные уже опробовали имплантируемую контролирующую электронику на жуках и бабочках. Методика позволяет управлять живыми организмами и исследовать опасные территории, вести скрытое наблюдение или поиск пропавших в результате катастроф людей. Но по большей части это потенциальные сферы применения, которые будут освоены с дальнейшим развитием технологий.

Насекомые получают энергию от собственных процессов жизнедеятельности, электронике же необходим отдельный источник питания. Однако батареи были бы слишком тяжелы для миниатюрных созданий, и проблемы логистики не позволяют регулярно производить их замену. Поэтому Лел со своей группой исследователей обратился к радиоактивным изотопам. Чтобы удерживать состояние памяти в обычном беспроводном сенсоре с низким энергопотреблением, необходимо от 1 нВт до 10 нВт. Периодическое проведение измерений и обработка данных повышает мощность до уровня 0,1-1 мВт. Если устройство обладает способностью устанавливать связь для обмена информацией, тогда ему может понадобиться до 100 мВт. С небольшим количеством радиоактивного материала пьезоэлектрический MEMS-генератор корнельской команды учёных вырабатывает достаточный объём энергии для создания мощных радиочастотных импульсов каждые три минуты. Материал - это никель-63 (Ni-63) - изотоп с "мягкой" радиоактивностью, имеющий дополнительные нейтроны в ядре. Распад элемента приводит к излучению бета-частиц, представляющих собой относительно безвредные высокоэнергетические электроны.

RFID-передатчик конвертирует энергию распада в механическое движение микроэлектромеханического устройства. Крошечная конструкция в виде кремниевого пьезоэлектрического стержня толщиной 40 мкм и длиной от 4 до 8 мм на чипе подвешена над радиоактивной плёнкой, как доска для прыжков в воду над бассейном. Испускаемые электроны собираются на стержне, приобретающем отрицательный заряд. Он притягивается к положительно заряженной плёнке Ni-63, и в момент касания заряд переходит обратно в плёнку, при этом освобождённый от "груза" стержень возвращается в первоначальное положение. Колебания и приводят к генерированию энергии. Процесс продолжается до тех пор, пока изотоп не будет истощён, на что по словам учёных понадобится около 100 лет. Период каждого колебания равен трём минутам. Параметры могут быть изменены путём компромисса между выходной мощностью и длительностью аккумулирования заряда. Например, 30-секундные импульсы будут означать снижение мощности.

Технология предполагает использование небольшого объёма материала. При этом передатчик является неоптимизированным прототипом с эффективностью преобразования энергии радиоизотопа на уровне 0,06%. Площадь всего устройства - 1 см². Демонстрация на IEDM вызвала неоднозначную реакцию. Так, исследователь из NEC Electronics Йошихиро Хаяши (Yoshihiro Hayashi) задался вопросом, будет ли источник питания стабильным, учитывая стохастическую (непостоянную) природу радиоактивности. Другой инженер поинтересовался надёжностью, а именно тем, не будет ли разрушаться от бета-частиц электроника и страдать само насекомое? Тин отметил, что частицы от Ni-63 проникают в материалы лишь на глубину 12 мкм, требуя минимальной защиты.

Новое исследование направлено не только на совершенствование кибернетических жуков. Радиоизотопы, считают Лел и Тин, могут революционизировать сенсоры и процесс мониторинга. В октябре HP Labs сообщала о достижении прогресса в работе над рассчитанными на длительную эксплуатацию сенсорами в проекте "Центральной нервной системы для Земли" (Central Nervous System for the Earth (CeNSE) project), нацеленном на покрытие всей планеты небольшими датчиками. Но до сих пор одной из последних нерешённых фундаментальных проблем оставалось питание устройств. Новый сенсор HP потребляет немногим менее 50 мВт - значительно меньше 1 Вт существующих подобных решений. А согласно оценке учёных из Корнельского университета, устройства на основе радиоизотопов могут быть встроены, например, непосредственно в бетонные конструкции, и оставаться там функционирующими в течение сотен лет.