|
Для чего создают животных-киборгов
|
|
|
|
Гибрид животного и машины — уже давно не фантастика. Кто-то считает такие эксперименты неэтичными, но они могут помочь в спасении людей, разведке местности и лечении тяжелых заболеваний. О том, как и для чего создают киборгов, — в материале ТАСС. В фильме "Пятый элемент" была сцена, где на стол во время совещания у президента карабкается обычный таракан. В следующем кадре мы видим, что насекомым управляют дистанционно: через мини-камеру и микрофон оператор может слышать и видеть все, что происходит. Правда, слежка заканчивается неудачно: таракана убивают… Миниатюрные управляемые насекомые — вполне реальные разработки. Их нервная система достаточно проста для того, чтобы животное подчинялось простым командам. А вариантов применения таких киборгов масса: от разведки до спасения людей во время стихийных бедствий. Впрочем, это касается не только насекомых.
|
|
|
|
В 2006 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) обратилось к американским ученым с просьбой представить "новаторские предложения по разработке технологий для создания насекомых-киборгов". Американские военные давно пытались разработать сверхмалых роботов — прежде всего для воздушной разведки. Но это было очень сложной задачей. Прежде всего, при малых размерах аэродинамика полета меняется. Машины должны быть достаточно легкими, чтобы летать, — но достаточно прочными, чтобы нести камеры и другое оборудование.
|
|
|
Кроме того, микророботу нужен подходящий источник энергии. Батареи, достаточно легкие для таких машин, не имеют необходимого заряда, чтобы поддерживать их работу длительное время. Например, рабочий образец летающего микродрона DelFly Micro, размер которого составляет менее 10 см, может оставаться в воздухе всего три минуты. Использование гибридов животного и машины может снять хотя бы часть этих проблем. Насекомым для движения не нужна подзарядка, у них уже есть биологическая программа для преодоления препятствий. Кроме того, ученые могут использовать в своих целях и другие способности животных — например, чувствительность к запахам и вибрации.
|
|
|
|
Джойстик для таракана
|
|
|
|
"Взломать" мозг насекомого, чтобы получить доступ к управлению его телом, — задача непростая. Можно, например, стимулировать центр удовольствия или области, отвечающие за движение. Однако даже простая нервная система насекомого плохо поддается контролю. Гораздо проще и дешевле предоставить машине роль наездника, который задает нужное направление с помощью сигналов. Еще одна аналогия — видеоигры. Мы управляем персонажем (или, к примеру, гоночной машиной), который отображается на экране. Для самых простых действий нужен только подходящий джойстик с кнопками движения: вправо, влево, вперед, назад. Удивительно, но похожий принцип инженеры заложили в управление мини-киборгами.
|
|
|
|
В 2013 году ученые из Университета Северной Каролины представили прототип управляемого таракана. Они взяли бесконтактный контроллер Kinect, который стоял в приставке Xbox 360, на котором была установлена программа движения по траектории. Раньше его уже применяли для других задач — например, моделирования стыковки спутников и сбора мусора с помощью руки-манипулятора. Чтобы управлять движениями, микрочип с программой подключается к церкам на брюшке таракана. Церка — это орган осязания, который реагирует на колебания воздуха. При ее стимуляции таракан инстинктивно ползет в противоположном направлении. Проводки отправляют слабые электрические импульсы, и это действует как педаль газа либо поворот руля. Стимуляция антенн на голове заставляет таракана развернуться, словно перед ним препятствие.
|
|
|
|
"С помощью такой технологии спасатели могли бы подготовить миниатюрную "группу" для картографирования аварийных объектов, — объясняет Алпер Бозкурт, профессор электромеханики и вычислительной техники, один из авторов работы. — Насекомые будут подчиняться командам оператора или прописанного алгоритма, который будет посылать их по самым эффективным маршрутам, чтобы у спасателей была полная картина происходящего".
|
|
|
|
Мал киборг, да дорог
|
|
|
|
Для практического внедрения такой технологии нужно решить другую инженерную проблему — сделать киборга автономным. В первых прототипах использовались обычные небольшие батареи, так же как и в маленьких роботах. Но управлять тараканом можно было лишь несколько минут. А попытки сделать батареи более крупными означали бы, что животное не сможет нормально двигаться. В 2022 году японские разработчики из лаборатории Thin-Film Device при институте RIKEN протестировали новый прототип. Он включает литий-полимерный аккумулятор, беспроводной приемник сигнала и модуль управления. Нововведением команды стала гибкая тонкопленочная солнечная батарея, которая передает энергию аккумулятору.
|
|
|
|
Входная мощность такой батареи — 17,2 мВт. По словам авторов, этого достаточно, чтобы киборг "работал" около 150 минут при полной зарядке. И это в 50 раз больше, чем у любого другого накопителя энергии, который используется для подобных целей. При этом инженеры специально сделали конструкции гибкими, чтобы не стеснять движения насекомого. У разработки пока еще есть проблемы. Например, в экспериментах не всегда удавалось добиться точности движений: в некоторые моменты таракан не поворачивал, а двигался кругами. Возможно, перед "отправкой" тараканов на задание нужно будет проводить тесты (что-то вроде тренировок) или даже генетически модифицировать их для большей отзывчивости. Учитывая, что для одной операции нужно до нескольких десятков особей, до практических решений дело дойдет не скоро.
|
|
|
|
Еще одно препятствие в том, что животным нужно будет нести миниатюрные камеры и другие сенсоры. А любая дополнительная нагрузка может привести к тому, что таракан будет вести себя непредсказуемо. Например, в какой-то момент он может застрять, контакт с проводом может отойти. Потеря даже одного таракана с камерой снижает рентабельность всего проекта. По словам Юдзиро Какея, исследователя RIKEN, только детали для снаряжения одного таракана обошлись ему в $35.
|
|
|
|
От насекомых к птицам
|
|
|
|
То, что дальше всего продвинулись именно разработки с тараканами, — не случайность. У него много преимуществ: прочное хитиновое тело, на которое можно установить "рюкзачок" с батареей и чипом-контроллером; отсутствие крыльев на спине (речь идет о мадагаскарских тараканах); выносливые мышцы, которые позволяют нести оборудование. Но ими дело не ограничивается. Более амбициозные планы у китайских исследователей. Команда исследователей из Университета Чжэнчжоу в 2021 году отчиталась об успешном испытании управляемого голубя. Причем авторы отмечали, что эксперименты по киборгизации голубей ведутся в КНР уже около десяти лет. Авторы подчеркивали, что создание робоголубей — очень сложная задача, которая требует согласованной работы специалистов по программированию, нейробиологии, анатомии и медицине. Следует учитывать привычки голубей, особенности формирования условных рефлексов, работы мозговых центров и рецепторов. Например, слишком активная стимуляция может сбить птицу с толку, вызвать у нее шок и страдания.
|
|
|
|
Но уже в октябре 2022 года Жуйтуо Хуай и его коллеги рассказали газете South China Monitoring Post об успешном испытании технологии. Согласно статье, которая вышла в китайском научном журнале Journal of Biomedical Engineering, система управления полетом включала солнечную панель размером примерно с половину экрана смартфона, привязанную к спине голубя; литиевую батарею; управляющее устройство, соединенное с мозгом птицы. По словам Хуая и его команды, в предыдущих экспериментах птицы следовали командам человека в течение примерно 45 минут, что соответствует продолжительности работы среднего коммерческого дрона. Птицы могли выполнять простые команды, такие как поворот вправо или влево, с точностью 80–90%. Иногда птицы не реагировали из-за усталости или отвлекающих факторов. Авторы предполагают, что таких птиц можно использовать для незаметной разведки местности — в том числе в военных целях.
|
|
|
|
Живые сенсоры из мозга саранчи
|
|
|
|
Еще одно возможное применение животных-киборгов — их уникальное восприятие окружающей среды. Например, сенсорные системы саранчи потенциально можно приспособить для обнаружения взрывчатых веществ и даже предвестников землетрясений. Почему бы не использовать их? Именно над этим задумались сотрудники Инженерной школы Джеймса Маккелви Вашингтонского университета. В 2020 году они представили электронную систему, которая могла обнаруживать чувствительные к запахам нейроны саранчи и передавать информацию таким образом, чтобы сообщать исследователям о запахах, которые ощущало насекомое. Для самой саранчи запахи не были значимыми, но то, какие именно нейроны возбуждались в ответ на конкретные вещества, может помочь в разработке биосенсора.
|
|
|
|
По словам авторов, работу обонятельной системы саранчи можно представить в виде логической операции. Каждый стимул (определенное химическое вещество) вызывает реакцию ряда нейронов в мозге саранчи. При этом во многих случаях возбуждаются одни и те же нейроны. Но авторы обратили внимание, что при наложении всех схем возбуждения становится заметной определенная "специализация". Они разработали классификатор, который позволяет точно распознавать стимул по реакции нейронов. Другими словами, подключаться к мозгу саранчи и "читать" запахи, которые она почувствует.
|
|
|
|
Используя это знание, исследователи смогли идентифицировать запахи паров тротила, три- и динитротолуола, гексогена и аммиачной селитры — химически разнообразного набора взрывчатых веществ. "Самое удивительное, — подчеркнул Барани Раман, профессор биомедицинской инженерии и соавтор исследования, — в том, что мы могли ясно видеть, что нейроны по-разному реагировали на TНТ и ДНТ, а также на эти другие взрывоопасные химические пары".
|
|
|
|
Прошивка на уровне ДНК
|
|
|
|
Еще один способ получить управляемые организмы — модифицировать их сразу на уровне генов. И снова лучшие результаты пока удается получить для простых организмов. Недавно ученые из Городского университета Осаки (Япония) создали модель червей, движение которых можно корректировать с помощью световых сигналов. Для этого ученые провели две операции. Сначала они выделили у комаров гены светочувствительного белка MosOpn3, а затем "подсадили" их червям-нематодам C. elegans. Новый ген сделали активным только в определенных клетках — ноцицептивных нейронах, которые возбуждаются при возникновении угрозы или повреждении. Таким образом, светочувствительный ген действовал как сигнализация — активировал ноцицепторы, а те в свою очередь заставляли нематод отползать от мнимой опасности.
|
|
|
|
Другой пересаженный ген — он кодирует белок LamPP и содержится в ДНК миноги — запрограммировали на активность в моторных нейронах червя. Он чувствителен к свету с различной длиной волны. Например, при облучении ультрафиолетом нематоды замирали, а зеленая часть спектра сигнализировала, что нужно двигаться вперед. При этом такая система оказалась устойчива к воздействиям других процессов в организме. Иными словами, ее можно было использовать повторно много раз.
|
|
|
|
По словам авторов работы, у таких модификаций огромный потенциал: они могут быть чувствительны к очень разным видам стимулов, в том числе запаху, вкусу, различным гормонам. Но отдаленная цель таких опытов не в том, чтобы натренировать нематоду добывать ценные сведения. Они позволяют изучить роль отдельных нейронов и даже управлять их активацией. А это открывает дорогу к лечению многих болезней, локализованных в мозгу. Например, известно, что при шизофрении у человека происходит сбой в работе особой группы нейронов. В перспективе эту проблему можно было бы решить с помощью оптогенетики (световой генетики): вирусы-доставщики (векторы) могут встроить в нужные клетки ген "белка-активатора" — а затем, с помощью воздействия лучей определенного спектра, заставить их работать. Пока это только теория, но опыты с нематодами помогают отточить механизм и сделать будущие операции более предсказуемыми.
|
|
|
|
Источник
|
