Karaczan z elektronicznym plecakiem i kombinezonem tlenowym? To brzmi jak żart, ale nim nie jest.
Karaluch w kombinezonie nurka brzmi jak rekwizyt z absurdalnego horroru klasy B. Tymczasem to bardzo poważny projekt ratunkowy. Naukowcy wyposażyli żywego karaczana madagaskarskiego w elektroniczny sterownik ruchu i miękki skafander, który pozwala mu oddychać pod wodą. W efekcie powstał owad-cyborg, który może poruszać się po lądzie, zejść pod wodę, przejść przez zalany tunel i dalej wykonywać polecenia. Dla ludzi uwięzionych po katastrofie taka dziwna technologia może kiedyś oznaczać różnicę między odnalezieniem a ciszą pod gruzami.
To żywy owad z elektroniką, nie miniaturowy robot
Nie chodzi o robota przypominającego karalucha. Chodzi o prawdziwego owada, do którego dołożono elektronikę i specjalny osprzęt. Taki cyborg-insekt wykorzystuje naturalne mięśnie, nogi, odporność i zdolność przeciskania się przez szczeliny, a człowiek dokłada sterowanie oraz czujniki.
To sprytny skrót technologiczny. Zbudowanie sztucznego robota wielkości owada, który będzie równie sprawnie poruszał się po gruzach, przechodził przez wąskie korytarze, wspinał się i zużywał minimalne ilości energii, jest ekstremalnie trudne. Natura rozwiązała te problemy miliony lat temu. Inżynierowie próbują więc nie kopiować owada od zera, tylko wykorzystać gotową biologiczną platformę.
Fot. NTU SingaporePisaliśmy o tym w tekście: Naukowcy zamienili karaluchy w cyborgi. Horror w laboratorium. Już wtedy widać było, iż owady-cyborgi mogą mieć sens w ratownictwie. Są małe, tanie energetycznie i potrafią wejść tam, gdzie człowiek, pies ratowniczy albo większy robot po prostu nie dotrą.
Problem zaczynał się tam, gdzie pojawiała się woda
Dotychczasowe cyborgiczne karaluchy radziły sobie przede wszystkim na lądzie. Mogły przeciskać się przez szczeliny, przechodzić przez nierówne powierzchnie i poruszać się w skomplikowanym terenie. Jednak katastrofy nie zawsze są suche. Po trzęsieniu ziemi, ulewie, powodzi albo awarii infrastruktury pod gruzami mogą powstawać kałuże, zalane tunele, podtopione piwnice, rury i przestrzenie z małą ilością tlenu.
Dla zwykłego robota to problem mechaniczny i energetyczny. Dla żywego owada to problem biologiczny. Karaczany, jak większość lądowych owadów, oddychają przez przetchlinki, czyli małe otwory prowadzące do układu tchawek. Nie pobierają tlenu z wody jak ryby. jeżeli zostaną zanurzone, nie mogą po prostu przejść na tryb wodny.
I tu pojawia się nowy kombinezon. Jego zadaniem nie jest uczynienie z karalucha ryby, ale stworzenie miniaturowej bańki życia: osłony, która trzyma wodę z dala od otworów oddechowych i dostarcza tlen bezpośrednio tam, gdzie owad może go wykorzystać.
Kombinezon działa jak maleńka butla tlenowa
Nowy skafander składa się z trzech głównych części: zbiornika generującego tlen, elastycznej wodoodpornej osłony i silikonowych rurek doprowadzających tlen do przetchlinek owada. Brzmi jak miniaturowy sprzęt nurkowy, tylko dopasowany nie do człowieka, ale do karaczana.
Zbiornik tlenu został wydrukowany z przezroczystej żywicy przypominającej tworzywo sztuczne. W środku umieszczono gąbkę pokrytą dwutlenkiem manganu, który działa jak katalizator. Gdy do zbiornika wstrzykuje się rozcieńczony nadtlenek wodoru, reakcja zaczyna powoli uwalniać tlen. Ten tlen nie ucieka przypadkowo, tylko jest kierowany rurkami do przetchlinek.
System nie wymaga dodatkowego napędu ani skomplikowanej elektroniki do produkcji tlenu. Reakcja chemiczna wykonuje pracę sama. Dzięki temu całość może być mała, lekka i wystarczająco prosta, by owad przez cały czas mógł się poruszać.
Karaluch oddycha przez rurki jak nurek
Chyba najbardziej osobliwy detal dotyczy samego sposobu dostarczania tlenu. Rurki są mocowane do przetchlinek na tułowiu owada. To nimi tlen trafia do układu oddechowego karaczana. Elastyczna osłona ma natomiast odcinać wodę i tworzyć przestrzeń, w której tlen może być przechowywany oraz transportowany.
Dostajemy więc coś, co wygląda jak biologiczno-mechaniczny skafander. Owad przez cały czas chodzi własnymi nogami, ale oddycha dzięki sztucznemu systemowi dostarczania tlenu. Naukowcy podkreślają, iż rurki można później usunąć bez bólu i szkody dla owada, a testowane osobniki przeżyły obserwację po eksperymentach.
To nie wymazuje oczywiście etycznego dyskomfortu, bo przez cały czas mówimy o sterowaniu żywym organizmem, ale pokazuje, iż badacze nie traktują owada jak jednorazowego elementu mechanicznego. W takich projektach granica między robotyką, biologią i etyką będzie coraz ważniejsza.
Pod wodą działał choćby 3 godziny
W testach cyborg-karaluch w kombinezonie mógł pozostać aktywny i reagować na stymulację elektryczną pod wodą przez 2-3 godziny. Dla porównania, osobnik kontrolny bez kombinezonu udusił się w ciągu 2 minut. Różnica jest ogromna, bo zmienia karalucha-cyborga z narzędzia wyłącznie lądowego w organizm zdolny do działania na granicy lądu i wody.
Badacze sprawdzali też ruch. Na lądzie owady w kombinezonach osiągały średnio 87,5 mm/s do przodu. Pod wodą prędkość spadała do 78,4 mm/s. To tylko ok. 10 proc. mniej w ruchu prostym, choć skręcanie było już wyraźnie trudniejsze. Woda stawia większy opór, ciało w kombinezonie zachowuje się inaczej, a manewry wymagają większego wysiłku.
Mimo to wynik jest zaskakujący. Owad nie tylko przeżywał zanurzenie, ale przez cały czas dało się wymuszać jego ruch. Mógł wejść do wody, poruszać się w niej i z niej wyjść. W ratownictwie właśnie ta ciągłość może być najważniejsza, bo prawdziwe katastrofy rzadko oferują idealnie suchy, prosty i czysty korytarz.
Po co komu taki horror pod gruzami?
Wyobraźmy sobie zawalony budynek po trzęsieniu ziemi. Ludzie są uwięzieni pod gruzami, ratownicy nie wiedzą dokładnie, gdzie szukać, część przejść jest zbyt wąska dla robotów, a w piwnicy stoi woda. Pies ratowniczy wyczuwa trop, ale nie wejdzie do każdego tunelu. Kamera na przewodzie utknie. Mały robot może nie przejść przez błoto, kamienie i szczeliny.
Cyborg-karaluch mógłby wejść w taką przestrzeń, przecisnąć się przez szczelinę, przejść po gruzie, zanurzyć się na chwilę w zalanym fragmencie i dalej przesyłać dane. W przyszłości taki owad mógłby przenosić mikrofon, kamerę, czujnik temperatury, detektor dwutlenku węgla albo prosty nadajnik lokalizacyjny.
To przez cały czas brzmi dziwnie, ale jeżeli alternatywą jest brak dostępu do miejsca, w którym może znajdować się człowiek, dziwność przestaje być najważniejszym kryterium.
Roboty mają silniki. Owady mają mięśnie
Największą przewagą cyborgicznych owadów nad klasycznymi mikrorobotami jest zużycie energii. Mały robot musi zasilać silniki, siłowniki, elektronikę, czujniki i komunikację. Im mniejszy robot, tym trudniej zmieścić baterię, która wystarczy na sensowną misję. To jedno z najtwardszych ograniczeń miniaturowej robotyki.
Owad-cyborg korzysta z własnych mięśni. Elektronika nie musi napędzać każdej nogi. Ma raczej wysyłać bodźce, które wpływają na kierunek ruchu i zachowanie owada. To radykalnie zmniejsza zapotrzebowanie na energię i pozwala wykorzystać naturalną sprawność organizmu.
Właśnie dlatego karaluch nie jest przypadkowym wyborem. Karaczany są wytrzymałe, dość duże jak na owady, bezskrzydłe w wybranym gatunku, odporne i łatwiejsze do wyposażenia w elektronikę niż wiele drobniejszych organizmów. Z punktu widzenia inżyniera to nie obrzydliwy lokator kuchni, ale gotowa platforma terenowa.
Największy problem może nie być techniczny, tylko społeczny
Dla wielu osób karaluch jest jednym z najbardziej odpychających owadów. Perspektywa, iż służby ratunkowe albo inspektorzy infrastruktury będą używać żywych owadów z elektroniką, może wywołać opór. choćby jeżeli technologia działa, trzeba będzie przekonać ludzi, iż ma sens, jest kontrolowana i nie zamienia miasta w laboratorium z horroru.
Do tego dochodzi etyka wykorzystania zwierząt. Owady nie budzą takiej empatii jak ssaki, ale to nie znaczy, iż pytania znikają. Czy można sterować żywym organizmem impulsem elektrycznym? Jak minimalizować cierpienie? Czy owady wracają do normalnego funkcjonowania po eksperymencie? Jak wygląda procedura po zakończeniu misji?
Badacze podkreślają, iż testowane owady nie zostały skrzywdzone i były traktowane zgodnie z wytycznymi badawczymi. To bardzo istotne, ale wraz z rozwojem technologii takich pytań będzie więcej. Zwłaszcza jeżeli cyborgiczne owady wyjdą z laboratoriów do realnych operacji.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
