Возможно, что миниатюрные летающие роботы, представляющие собой сочетание машины и насекомого, помогут людям выжить в условиях катастроф. Необыкновенное насекомое – чудо с точки зрения авиастроения. Одна из причин ее феноменальной способности ловко уклоняться от мухобоек – исключительная частота взмахов крыльев: около 200 в секунду. Жуку удается с очень малыми усилиями преобразовать ничтожное количество энергии во множество движений. При массе всего в 3 г имеет размах крыльев 100 мм и способен нести крошечную видеокамеру. Летательный аппарат, созданный в Гарвардской лаборатории микророботов, еще меньше: его масса составляет лишь 0,06 г (что в четыре раза больше массы насекомого), но управлять его полетом после запуска невозможно.

    Однако истинной ахиллесовой пятой механических насекомых стало энергопотребление: никому пока не удалось найти способ запасти в миниатюрных батареях достаточно энергии, чтобы питать аппараты больше нескольких минут полета. Насекомое летает само, но схема, подключенная к его нервной системе, передает ему команды оператора: повернуть направо или налево, набрать высоту или снизиться. В итоге получается летающий киборг – отчасти насекомое, отчасти машина.

        Насекомое–киборг потенциально могло бы выполнять различные военные задачи, например, сообщать, сколько человек и кто именно находится в здании или подземелье, чтобы солдаты, которым предстоит штурмовать помещение, знали, что их ждет. Кремниево–углеродные гибриды могли бы также стать основой для создания роботов–инсектоидов, предназначенных для выполнения мирных задач, таких как поиск выживших под завалами, вызванными землетрясением.

       Жуки движут своими крыльями подобно тому, как вибрируют ножки камертона. Вместо того чтобы непосредственно двигать крылья вверх и вниз, две системы мышц в фазе сокращения и в фазе расслабления, работая поочередно, деформируют грудную часть панциря жука. В результате крылья очень быстро движутся вверх–вниз.

       Почему именно жуки, спросите вы. Да конечно. Бабочки и саранча имеют достаточно крупные размеры, но не могут нести большой нагрузки, поэтому от них пришлось отказаться. Остались жуки. У этих насекомых много достоинств. Во–первых, биологам о них многое известно, какие мышцы, когда и где должны сократиться, чтобы легкокрылое существо набрало высоту или повернуло. Во–вторых, жуки исключительно эффективно используют энергию, что позволяет им двигать крыльями с фантастической скоростью. Однако в техническом отношении работать с жуками очень трудно: они так малы, что для вживления в них необходимых проводов и микросхем нужно быть нанохирургом. Ученые начали искать альтернативу.

    Америка хорошо осведомлена, что жуки в полете широко используют зрительную информацию. Как и у человека, свет, попадающий в глаз насекомого, возбуждает светочувствительные нейроны. От них сигналы передаются через зрительные доли мозга в средний мозг и в ганглии, где обрабатываются, снабжая насекомое зрительной информацией в процессе его движения. Также они располагали данными и о том, что во многих случаях важна и интенсивность света. Так, стоило резко выключить свет в помещении, как жуки немедленно прекращали полет. Это заставило разработчиков предположить, что им необходим некий сенсорный сигнал от глаз, чтобы продолжать работать крыльями. Так американцы рассудили, что стимуляция зрительных долей мозга или зон вблизи их основания может вызывать необходимые двигательные реакции. Поскольку вживление электродов непосредственно в глаза или зрительные доли мозга снизит способность насекомого маневрировать, ученые приняли решение о стимуляции зон у основания зрительных долей. Стимулировать отдельные нейроны не потребовалось. Когда они посылали нужный электрический импульс в область вблизи основания зрительных долей мозга жука, остальную работу выполняли его собственные системы, и насекомое отправлялось в полет.

     Не менее очевидна, чем некоторые достижения, необходимость идти дальше. Хотя ученые доказали, что могут заставить жуков поворачивать налево и направо и летать по кругу, они хотим добиться возможности направлять их полет по сложным трехмерным траекториям, чтобы они могли преодолевать препятствия, например влетать в помещения через дымоходы или трубы. С этой целью разработчики включили в полезную нагрузку миниатюрные микрофоны, регистрирующие колебания их крыльев в полете. Когда звук достигает определенного уровня, грубо характеризующего интенсивность колебаний крыла, они могут подать точно выбранные стимулирующие импульсы на мышцы, управляющие поворотами жука в полете. Чтобы выяснить, какими должны быть эти последовательности импульсов, использовали магнитно–резонансную томографию, обширные исследования анатомии жуков и высокоскоростную съемку их в полете с целью определения пространственной конфигурации и функций некоторых других мышц, отвечающих за работу каждого крыла. На основе полученных данных ученые сегодня нацеливаются на различные мышцы, чтобы получить возможность более стабильно управлять курсом и креном жука в свободном полете.

     И все равно многие спросят: «Нужно ли создавать таких жуков для развития современного общества?» Окажутся ли насекомые с дистанционным управлением полезными в качестве роботов, – вопрос открытый, хотя думается, что да. На рынок и впредь будут поступать все меньшие по размерам и все более легкие микроконтроллеры и радиоприемники, что позволит нам разрабатывать более надежные и точные устройства управления нашими жуками–киборгами. Поскольку разработка миниатюрных источников питания большой емкости или механических крыльев с высоким КПД по-прежнему представляют большие трудности, жуки с их сверхэффективными мышцами будут иметь значительное преимущество перед полностью искусственными летательными аппаратами.

   Из всех потенциальных последствий, наиважнейшим считается следующее: по мере миниатюризации вычислительных устройств и углубления наших знаний о биологических системах человечество будет все настойчивее пытаться встраивать искусственные интерфейсы в контуры управления живых существ. Разработка деталей вначале на насекомых поможет избежать ошибок при работе с более высокоорганизованными существами вроде крыс и мышей, а впоследствии и с людьми. Возможно, это позволит отложить на будущее многие этические вопросы (в частности – о свободе воли), которые встанут острее, когда начнется работа с позвоночными. Работа с жуками–киборгами не помешает ученым заниматься созданием полностью искусственных роботов (ведь человек иногда делает более эффективные машины, чем природа). Но наука мягкой интеграции живых существ с рукотворными устройствами только зарождается.

А. ЕГОРОВ

Отвтавть комменатрий