Karaluchy należą do najbardziej niezwykłych zwierząt wykorzystywanych w robotyce. Nie dlatego, że są wyjątkowo inteligentne, ale dlatego, że potrafią przecisnąć się przez bardzo wąskie szczeliny, zużywają niewiele energii i dobrze radzą sobie w trudnym terenie. Teraz naukowcy postanowili rozwiązać ich największy problem: brak możliwości dłuższego działania pod wodą.
Badacze z Nanyang Technological University w Singapurze i japońskiego Waseda University stworzyli dla nich miniaturowy system oddechowy wydrukowany w technologii 3D. Wyniki opisano w czasopiśmie Nature Communications.
Cybernetyczne karaluchy już pracują z ratownikami
To nie są zwykłe owady. Do ich ciał przymocowane są elektrody pozwalające zdalnie sterować kierunkiem ruchu. Tak powstają tzw. cybernetyczne owady, łączące żywy organizm z prostą elektroniką.
Zespół kierowany przez prof. Hirotakę Sato rozwija takie konstrukcje od ponad dekady. Zdaniem badaczy w wielu zastosowaniach mają one przewagę nad klasycznymi robotami. Nie potrzebują silników do poruszania się, ponieważ wykorzystują własne mięśnie, dzięki czemu zużywają znacznie mniej energii. Są też wystarczająco małe, by dostać się tam, gdzie większe maszyny nie mają szans.
Takie owady były już wykorzystywane podczas rzeczywistych akcji poszukiwawczo-ratowniczych. Brały udział m.in. w działaniach po marcowym trzęsieniu ziemi o magnitudzie 7,7 w Mjanmie w ramach operacji Lionheart.
Dotychczas cybernetyczne karaluchy miały jednak poważne ograniczenie. Jak wszystkie owady oddychają przez niewielkie otwory znajdujące się po bokach ciała, zwane przetchlinkami. Po zanurzeniu szybko zaczyna brakować im tlenu.
„To ważne, ponieważ miejsca katastrof po ulewnych deszczach lub powodziach bywają wyjątkowo trudne do przeszukania. Drogi dostępu mogą być zablokowane przez gruz, zalane kanały lub wąskie szczeliny” – mówi prof. Hirotaka Sato. „Jeżeli uda nam się rozszerzyć możliwości działania naszych cybernetycznych owadów o poruszanie się pod wodą, mogą one zwiększyć skuteczność akcji poszukiwawczo-ratowniczych.” Nowy system ma właśnie rozwiązać ten problem.
Naukowcy zaprojektowali elastyczną osłonę wydrukowaną w 3D, która szczelnie obejmuje ciało owada i chroni jego przetchlinki przed zalaniem. Do osłony podłączono cztery cienkie rurki doprowadzające tlen bezpośrednio do układu oddechowego karalucha.
Na grzbiecie owada znajduje się również niewielki zbiornik produkujący tlen. W jego wnętrzu umieszczono gąbkę nasączoną dwutlenkiem manganu. Po dodaniu rozcieńczonego nadtlenku wodoru zachodzi reakcja chemiczna stopniowo uwalniająca tlen. Gaz trafia następnie silikonowymi przewodami do przetchlinek. Cały układ jest na tyle lekki, że nie uniemożliwia owadowi poruszania się.
Trzy godziny pod wodą zamiast dwóch minut
Badania przeprowadzono na karaluchach madagaskarskich w plastikowych tunelach imitujących różne środowiska. Owady wyposażone w nowy system mogły poruszać się pod wodą od dwóch do trzech godzin. Dla porównania karaluchy z grupy kontrolnej ginęły z powodu braku tlenu już po około dwóch minutach.
Badacze podkreślają, że podobny sprzęt można w przyszłości dostosować również do innych owadów wykorzystywanych w robotyce, takich jak szarańcza czy chrząszcze. Ich układ oddechowy i budowa ciała są na tyle podobne, że nie wymagałoby to całkowitego przeprojektowania urządzenia.
Choć wizja zdalnie sterowanych karaluchów w sprzęcie nurkowym może brzmieć jak scenariusz filmu science fiction, naukowcy widzą dla nich bardzo praktyczne zastosowania. Tam, gdzie po katastrofie człowiek ani klasyczny robot nie są w stanie dotrzeć, niewielki owad wyposażony w czujniki i kamerę może okazać się jednym z niewielu sposobów na szybkie odnalezienie uwięzionych ludzi.