Japonia zapewne większości z was kojarzy się z wysoko rozwiniętą technologią, rewolucyjnymi rozwiązaniami i niecodziennymi pomysłami naukowców. Jeśli tak, to na pewno zainteresuje was bohater dzisiejszego wpisu, który z początku może przypominać wizję rodem z koszmaru, jednak zdecydowanie zyskuje przy bliższym poznaniu.

Dzisiaj opowiem wam o karaluchu-cyborgu, nano-agencie do zadań specjalnych, czyli projekcie międzynarodowego zespołu naukowców kierowanego przez ekspertów z japońskiego instytutu badawczego. Wiele potencjalnych zastosowań i nieduże rozmiary sprawiają, że robo-karaluch może stać się sprzymierzeńcem ludzi w walce z zanieczyszczeniem środowiska czy podczas ryzykownych akcji ratowniczych. Jak działa i w czym jeszcze może nam pomóc ta technologia?

Prace nad zdalną kontrolą ruchu małych owadów trwają już od dekad. Ich niewielkie rozmiary umożliwiają dotarcie w miejsca niedostępne dla ludzi czy większych zwierząt takich jak psy czy gryzonie. Takie robo-owady mogłyby uczestniczyć w akcjach ratunkowych, poszukiwawczych czy na przykład stać się agentami obrony narodowej i niweczyć tajne plany wroga. W świecie owadów kandydatów na takiego wielozadaniowego pomocnika jest wielu, od latających ważek po skaczące pchły, jednak tym razem wybór padł na karaczany madagaskarskie, których rozmiary i budowa najbardziej odpowiadały wymaganiom twórców projektu. Zaprezentowany we wrześniu system do tworzenia zdalnie sterowanych karaluchów nie jest pierwszym tego typu przedsięwzięciem. Kilka lat przed Japończykami podobny projekt stworzyli także amerykańscy naukowcy z uniwersytetu w Connecticut, jednak inżynierowie z japońskiego instytutu RIKEN Cluster for Pioneering Research udoskonalili system wykorzystując do tego najnowocześniejsze materiały i metody. 

Jak każdy projekt, któremu przyświeca ważny cel, i ten miał oczywiście swoje wyzwania. Jednym z nich była integracja zminiaturyzowanego sprzętu komputerowego z biologiczną tkanką nerwową owada. Do tego każdy z podzespołów systemu musiał stać się odpowiednio lekki i mały, aby móc zmieścić się na grzbiecie sześciocentymetrowego karalucha. Ale przejdźmy do rzeczy: opracowane w Japonii karaluchy-cyborgi zostały wyposażone w specjalny plecak pełniący rolę bezprzewodowego modułu sterującego, zasilanego akumulatorem podłączonym do ogniwa słonecznego. Do jego budowy naukowcy użyli ultracienkich i lekkich materiałów, dzięki czemu robo-owady mogą swobodnie poruszać się w każdym terenie. Odpowiednie naładowanie akumulatora ma fundamentalne znaczenie w zapewnianiu ciągłej kontroli nad ruchem owadów. Chociaż możliwe jest zbudowanie stacji dokujących do ładowania baterii, konieczność powrotu i naładowania akumulatora może zakłócić przebieg misji. Dlatego właśnie naukowcy zdecydowali się zastosować organiczne ogniwa słoneczne. 

Najnowsze filmy


Cały model plecaka badacze wzorowali na ciele karalucha, aby zapewnić mu możliwie jak najbardziej naturalne ruchy.

Model został wydrukowany w 3D z elastycznego polimeru tak aby idealnie dopasowywać się do powierzchni ciała karalucha, jednocześnie umożliwiając stabilne mocowanie sztywnego urządzenia elektronicznego na ponad miesiąc.  Badacze przymocowali bezprzewodowy moduł kontroli nóg i baterię litowo-polimerową do górnej części owada. Poprzez zastosowanie stymulacji elektrycznej kontrolującej poruszanie mogli wskazać mu odpowiedni kierunek ruchu. Jak twierdzi kierujący projektem Kenjiro Fukuda z instytutu Riken, sam moduł ogniwa słonecznego ma grubość zaledwie czterech tysięcznych milimetra a montowany na ciele ultra cienki moduł organicznego ogniwa słonecznego osiąga moc wyjściową siedemnastu i dwóch dziesiątych megawatów, czyli ponad pięćdziesiąt razy większą niż moc wyjściowa obecnych urządzeń gromadzących energię na żywych owadach.

Podczas testów karaluchy-cyborgi poruszały się sprawnie, skręcały w lewo i prawo przy pomocy bezprzewodowego pilota. Badacze odkryli też, że owady mogą poruszać się dwa razy szybciej dzięki ulepszeniu modelu plecaka o dopasowany kształt i odpowiednio niską wagę. Wcześniejsze badania amerykańskich inżynierów wykazały jednak, że z czasem karaluchy słabiej reagują na bodźce elektryczne, być może w tym przypadku ten problem został już rozwiązany, ale na wnioski z długotrwałych testów będziemy musieli jeszcze trochę poczekać. Według lidera projektu, wdrożenie tej zaawansowanej technologii i poszerzenie grupy obiektów badań o chrząszcze a nawet latające owady, jak na przykład cykady, może przynieść w przyszłości wiele korzyści. 

Naukowcy stale pracują nad wykorzystywaniem naturalnych cech żywych tkanek, bakterii czy grzybów do zwalczania powszechnych problemów, takich jak zanieczyszczanie środowiska. Jednym z największych zagrożeń ekologicznych dwudziestego pierwszego wieku jest mikroplastik, który przedostaje się do mórz i oceanów w zatrważającej ilości. To miliardy maleńkich cząsteczek, które odrywają się od przedmiotów z tworzyw sztucznych, takich jak butelki, opony samochodowe czy ubrania z syntetycznych materiałów. Po przedostaniu się do środowiska bardzo trudno się ich pozbyć a w konsekwencji mikroplastik trafia nawet do wody pitnej, szkodząc zdrowiu ludzi i zwierząt na całym świecie.

Syczuańska Robo-ryba

Naukowcy z Uniwersytetu Syczuańskiego znaleźli rozwiązanie, projektując maleńką samobieżną robo-rybę, która może pływać, zaczepiać się o swobodnie pływające mikroplastiki i naprawiać się, jeśli zostanie uszkodzona podczas pracy. Ta maleńka rybka ma zaledwie 13milimetrów długości. Dzięki zastosowaniu laserów w ogonie może pływać i wykonywać ruchy z prędkością niemal trzech centymetrów na sekundę, mniej więcej tak szybko jak plankton dryfujący na wodzie. Podczas projektowania robo-rybki chińscy inżynierowie inspirowali się materiałami, która można znaleźć w morzu, w tym przypadku była to masa perłowa pokrywające wewnętrzna część muszli małży.

Nakładając na siebie różne mikroskopijne arkusze cząsteczek zgodnie ze specyficznym gradientem chemicznym stworzyli tworzywo, które zapewniło rybce elastyczność, rozciągliwość, a nawet zdolność udźwignięcia ciężaru aż pięciu kilogramów. Jednak najważniejszą umiejętnością tej małej bohaterki jest adsorpcja, czyli wiązanie pływających w pobliżu cząsteczek mikroplastiku. Barwniki, antybiotyki i metale ciężkie w nim zawarte posiadają silne wiązania chemiczne, przez co oddziałują elektrostatycznie z materiałem użytym do stworzenia rybki. Po zebraniu przez nią mikroplastiku z wody, naukowcy mogą analizować jego skład i toksyczność.

Jedna z głównych autorek pracy Yuyan Wang specjalizująca się w opracowywaniu samoregenerujących się materiałów wskazuje, że w przypadku uszkodzenia robo-ryba może uleczyć się nawet do osiemdziesięciu dziewięciu procent swoich możliwości i kontynuować adsorpcję mikroplastiku. Naukowcy wierzą, że ta bioniczna konstrukcja może stać się punktem wyjścia dla innych podobnych projektów a sama nanotechnologia jest bardzo obiecująca, jeśli chodzi o zbieranie i wykrywanie zanieczyszczeń, poprawę wydajności operacji przy jednoczesnym obniżeniu kosztów operacyjnych. Tak samo jak w przypadku karalucha-cyborga, dalszy rozwój i wcielanie w życie takich projektów może znacząco przyczynić się do zwalczania globalnych problemów.