Самые маленькие беспилотные летательные аппараты похожи на насекомых во многих отношениях, но не могут превзойти их в маневренности и эффективности. Пройдет еще очень много времени, прежде чем ученым удастся создать универсального солдата, который соединит в себе технологические возможности и природные способности, – робота-насекомого. За последние несколько лет исследователи научились управлять крупными насекомыми с использованием электрических имплантатов – своего рода метод грубой силы с ограниченной реальной пользой.

Теперь ученые из Медицинского института Говарда Хьюза совместно с Draper Laboratory надеются преодолеть ограничения, создав стрекозу-киборга, которая будет сочетать в себе «миниатюрную навигацию, синтетическую биологию и нейротехнологии». Управляя стрекозой, инженеры лаборатории разрабатывают способ генетически модифицировать нервную систему насекомых таким образом, чтобы они могли реагировать на импульсы света. Как только им это удастся, подход, известный как оптогенетическая стимуляция, позволит стрекозе перевозить грузы, вести наружное наблюдение и даже помогать пчелам лучше опылять растения.

Но почему именно стрекоза? Они распространены по всему миру и вдобавок являются очень выносливыми и ловкими летунами для своего небольшого размера. Дальнейшие работы могут расширить использование системы управления для других насекомых, в том числе и важных опылителей.

Проект DragonflEye – совместная работа ученых из Draper Laboratory и Медицинского института Говарда Хьюза. Команда разрабатывает крошечные оптические волокна, которые могут активировать специальные управляющие полетом нейроны с помощью световых импульсов. Традиционное оптоволокно слишком жесткое, чтобы можно было обернуть им крошечные нервные стволы стрекоз, поэтому для этих целей ученые создали инновационный гибкий материал. Это позволяет существенно увеличить функциональность и значительно уменьшить вес и размер всей системы управления.

Кроме того, группе ученых удалось упаковать всю электронику в небольшой «рюкзак». Это означает, что мелкие насекомые вроде пчелы или стрекозы смогут летать с ним. Разработать настолько маленький «рюкзак» удалось в том числе благодаря использованию солнечных панелей для сбора энергии, минимизируя потребность в аккумуляторах. В него встроена система управления и навигация, поэтому полностью автономная навигация возможна за пределами контролируемой среды. Эта система первого поколения, которая позволяет управлять насекомыми с помощью оптогенетической стимуляции.


Компоненты рюкзака крупным планом

Исследователи изучили, как специальные «рулевые» нейроны контролируют направление полета стрекозы. Такие нейроны представляют собой тип интернейронов, которые не являются ни чувственными, ни двигательными. Ученые полагают, что интернейроны отдают «рулевые» команды вниз по нервно-мышечным связям, которые координируют движения мышц крыльев и поддерживают стабильный полет. Они будут действовать точечно, без непреднамеренной активации близлежащих нейронов и мышц благодаря оптогенетике. Такой подход позволит ученым активировать отдельные нейроны светом, чего нельзя было сделать с электричеством.

В предыдущих разработках для того, чтобы управлять мышцами насекомого и заставлять его делать то, что нужно, использовались электроды. Инженеры Draper Laboratory решили применить более деликатный подход, используя технологию оптогенетики – активацию определенных нейронов с помощью световых импульсов. Нейроны, которые отвечают за управляемость насекомого, могут также выполнять роль моста между датчиками стрекозы и ее мышцами. Таким образом можно добиться более надежного контроля над движениями насекомого.

Обычные стрекозы весят около 600 миллиграммов и мигрируют на большие расстояния. Механические летательные аппараты сопоставимого размера гораздо менее эффективны в поднятии тяжестей, стабилизации полета и сохранения энергии. Эта неэффективность создает фундаментальную проблему: техника может нести на себе только очень маленькие источники энергии, а это значит, что она приспособлена только для кратковременных полетов. Система DragonflEye не требует источника питания для полета – только для навигации. Она может работать практически бесконечно из-за способности насекомых получать энергию с пищей и возможностей навигационной системы собирать энергию из окружающей среды.

Сейчас команда сосредоточена на разработке методов доставки генов, специфичных для стрекозы, чтобы создать специальные управляющие нейроны, чувствительные свету. На следующем этапе разработки команда исследователей и инженеров планирует уменьшить размер и вес системы DragonflEye, создав пользовательскую интегрированную однокристальную систему. Таким образом, носить этот «рюкзак» смогут и более мелкие насекомые.

Предыдущие попытки управлять полетом насекомых были предприняты в отношении более крупных насекомых – разных жуков и саранчи, чтобы они могли поднимать на своем теле относительно большие системы электроники, которые весили до 1,3 грамма. В эти системы не встроена навигация и возможность отправлять команды для управления полетом без проводов. Тогда ученые подменяли входные сигналы, чтобы управлять полетом, непосредственно стимулируя нейроны и мышцы управления крыльями. Проблема такого подхода заключается в том, что насекомые приспосабливаются и перестают обращать внимание на сенсорную информацию, которая не согласуется с другими чувствами. Подобная система ухудшает мышечный контроль, необходимый для стабильного полета. В ней также используется электрическая стимуляция, которая активирует не только нейроны, но и мышцы рядом с электродами.

Отслеживание насекомых и мелких животных позволит исследователям лучше понять их поведение в дикой природе, наблюдать за изменениями окружающей среды и направлять развитие политики для защиты важных экосистем. Помимо слежения система предлагает миниатюрную технологию для оснащения большого числа насекомых датчиками состояния окружающей среды.