Инженеры создали рюкзачок, который крепится на спину таракана и позволяет управлять им при помощи электростимуляции. В нем также есть инфракрасная камера и алгоритм навигации, с помощью которого киборга можно использовать для поиска людей по излучаемому ими теплу. Статья опубликована на arXiv.org.
Инженеры не первое десятилетие пытаются создавать микророботов размером с насекомых. В последние годы этим направлением уже заинтересовались и крупные компании, такие как Rolls-Royce, и финансируемые ими разработки уже показывают неплохие результаты. Но пока практическое применение микророботов упирается в нехватку достаточно компактных компонентов, особенно актуаторов и источников питания. Часть научных групп решает эту проблему напрямую, миниатюризируя нужные технологии, а DARPA даже объявило конкурс на несколько десятков миллионов долларов, направленный на разработку компонентов и целых роботов. Но есть и другой подход, при котором за основу берется живой организм, умеющий эффективно перемещаться, а в него с помощью электродов интегрируются электронные модули. Чаще всего для этого используют жуков и тараканов, хотя есть и примеры такой интеграции с летающими насекомыми.
Инженеры из Сингапура, Китая, Германии и Великобритании под руководством Хиротаки Сато (Hirotaka Sato) из Наньянского технологического университета создали на основе мадагаскарского таракана (Gromphadorhina portentosa) киборга, который может перемещаться по заданному маршруту и находить людей по пути.
Для интеграции электроники с тараканом авторы выбрали стандартный подход — электростимуляцию. Для этого они вставили в церки — усикообразные ограны в задней части насекомого — по одному электроду. При электростимуляции этих органов таракан поворачивает в противоположную сторону: при стимуляции левой церки он поворачивает в правую сторону и наоборот. А если стимулируются оба органа, таракан продолжает двигаться вперед, но значительно ускоряется.
Помимо электродов в рюкзачке таракана расположены микроконтроллер с акселерометром, Bluetooth-антенна, аккумулятор и инфракрасная камера с разрешением 32 на 32 пикселя. Также на нем закреплено три инфракрасных метки — они нужны для точного отслеживания положения. Для этого инженеры использовали внешнюю систему слежения, состоящую из нескольких камер, с помощью которых система в реальном времени рассчитывает трехмерное положение маркеров в пространстве.
На микроконтроллере киборга работает простой алгоритм навигации. Авторы задавали ему координаты точек назначения, а от системы отслеживания движений он получал собственное местоположение и угол относительно цели. Если угол отличается от нулевого на величину, превышающую заданный порог, алгоритм дает команду на электростимуляцию, чтобы таракан повернул обратно. А если он замедлился или застрял и скорость снизилась ниже пороговой, стимуляции подвергаются обе церки, чтобы таракан ускорился.
Помимо алгоритма навигации авторы также разработали алгоритм обнаружения человека. Он работает в два этапа. На первом он определяет, что в поле зрения камеры в принципе находится объект, потенциально представляющий интерес. Для «срабатывания» алгоритма необходимо, чтобы в кадре находилось более 15 пикселей с температурой от 28 до 38 градусов Цельсия. Затем кадр анализируется с помощью алгоритма на основе метода опорных векторов, который был обучен на инфракрасных изображениях людей.
Разработчики продемонстрировали работу киборга, симулировав поисково-спасательную операцию. Таракана запустили на пол с расставленными высокими и низкими препятствиями и несколькими точками, представляющими интерес для спасателей, в части из которых были люди. В результате таракан обошел все точки и успешно определил, в каких из них находились люди, а не другие теплые предметы, такие как микроволновая печь. Авторы выложили видео с тестированием на Dropbox.
В прошлом году инженеры создали для жуков носимую камеру. Она может поворачиваться по горизонтали, снимать видео с частотой пять кадров в секунду и разрешением 160 на 120 пикселей, и в реальном времени передавать его на смартфон.
Как только вставили таракану в «заднюю часть насекомого» электроды, он сразу превратился из паразита в полезное существо!