Тараканы, крысы и медузы: как ученые делают из животных киборгов на благо науки

В 2011 году в Токио произошло масштабное землетрясение. Толчки разрушили десятки тысяч зданий и вызвали цунами, которое обрушилось на восточное побережье Японии, в том числе на атомную электростанцию Фукусима. Более 18 тыс. человек погибли или так и не были найдены. Наблюдая за поисково-спасательными операциями, инженер Наньянского технологического университета в Сингапуре Хиротака Сато решил разработать технологию для спасения людей.

Решение оказалось простым — насекомое-киборг: Сато представил себе рой живых существ, разбегающихся по завалам и отслеживающих выживших. В качестве основы для спасательного отряда инженер выбрал мадагаскарского шипящего таракана (Gromphadorhina portentosa). Теперь прирученные существа длиной 5 см могут нести на себе до 15 г вмонтированной технологии — инфракрасную камеру и процессор, способный обнаруживать живых людей.

По замыслу, сотни тараканов-киборгов будут автономно исследовать зоны поиска. Но чтобы они оставались в целевой зоне, Сато прикрепил к телу насекомых электроды, которыми может управлять либо удаленный оператор-человек, либо бортовой компьютер. Электрическая стимуляция сенсорных рецепторов или мышц на левой стороне таракана заставляет насекомое двигаться вправо, и наоборот. Стимулирование движений влево и вправо одновременно заставляет таракана двигаться вперед. Избегание препятствий достигается за счет мониторинга движения: если таракана останавливает препятствие, навигационный алгоритм направит насекомое в сторону от преграды и найдет способ ее обойти. Исследователи дорабатывают системы слежения и связи, необходимые для того, чтобы киборги могли сообщать спасателям, где искать людей, нуждающихся в помощи.

У насекомых есть важное преимущество перед 100-процентными роботами — время работы. Ученые могут установить на маленького робота только небольшую батарею. Поскольку она должна питать энергоемкую систему, роботы могут двигаться всего несколько минут. Насекомые-киборги, напротив, передвигаются за счет еды и питья, а значит, небольшие бортовые батареи должны питать только системы зрения и связи, а также маломощные устройства, управляющие насекомыми.

Время работы последних прототипов команды Сато составляет около восьми часов, но они надеются, что в будущем этот срок значительно увеличится за счет получения энергии от солнца или из гемолимфы насекомых. Сато надеется развернуть биогибридные машины в зонах бедствия в ближайшие 3-5 лет.

Миссия организации APOPO сосредоточена на гуманитарных задачах. Сейчас группа работает над проектом RescueRats, который позволит большим африканским крысам участвовать в поисково-спасательных операциях.

Предполагается, что на спину зверей наденут рюкзак вместе с камерой, фонарем и микрофоном. Из рюкзака будет идти звук, транслирующий нечто вроде: «Я RescueRat, я здесь, чтобы помочь вам». Подобные меры будут актуальны до тех пор, пока практика поисково-спасательных операций вместе с крысами не станет известна широкой публике.

По словам специалистов, крысы будут задействованы только после того, как поисковые группы людей и собак уже как следует изучат обломки. Предполагается, что животные смогут пройти в среднем от 10 до 20 км, поэтому спасательной службе удастся обыскать большую территорию за короткое время. Конечно, у некоторых людей, имеющих страх перед крысами, могут возникнуть проблемы во время спасательной операции. Дрессировщики предлагают развернуть маркетинговые кампании, чтобы люди знали, что из обломков их может вытащить крыса.

Ученые предлагают и более совершенные разработки. Например, эксперты Южного федерального университета (ЮФУ) России решили совместить электронный нос с биологическим крысиным, чтобы искать предметы и людей. Они создали биогибридную систему крыса — ИИ, с помощью которой можно будет определять вещества, содержащиеся в воздухе, и тем самым распознавать запрещенные предметы. Для этого в обонятельную луковицу животного имплантировали микроэлектроды, после чего его ввели в состояние наркоза. Затем биологические сигналы многократно усилили.

Система работает следующим образом: программа регистрирует активность части мозга, отвечающей за обоняние, а ИИ определяет вещество, которое нюхает крыса. Во время наркоза обонятельный мозг анализирует окружающий мир намного лучше, чем во время бодрствования или сна, а ответная реакция нейронов возрастает. Таким образом, в системе крыса выполняет роль сенсора за счет острого нюха, а искусственный интеллект анализирует активность ее мозга и выдает результат. Точность процесса удалось повысить до 100%.

С помощью подобных систем можно обнаружить взрывчатые или запрещенные вещества. Возможно, они пригодятся и при обнаружении людей в поисково-спасательных операциях. Преимущество крыс состоит в их размерах — небольшие зверьки получают доступ в расщелины и дыры, куда собакам вход закрыт. Крысы обладают схожим с собаками обонянием. Они легко приручаются, не привязываясь к какому-то одному дрессировщику в отличие от коллег по поисковой деятельности.

Николь Сюй, инженер из Университета Колорадо в Боулдере, изучает способы управления плаванием медуз. Цель — использовать их скопления, несущие датчики, для мониторинга последствий изменения климата и других экологических сдвигов на больших пространствах океана.

Но почему именно медузы? Для плавания они используют насосное действие — кольцо нервов заставляет их тело сокращаться, что и приводит их в движение. Сюй показала, что, прикрепив к медузе электрод с помощью деревянной зубочистки и стимулируя нервное кольцо по определенной схеме, она может заставить животное плавать почти в три раза быстрее, чем обычно. Кроме того, медузы обладают рядом привлекательных для робототехников характеристик. Они энергоэффективно плавают и способны опускаться на большую глубину. По сравнению с нынешними механическими подводными аппаратами медузы наносят меньше вреда морской среде.

Медузы-киборги находятся на гораздо более ранней стадии разработки, чем те же тараканы Сато, и в настоящее время дорабатываются в лаборатории Калифорнийского технологического института.