Насекомые-киборги — беспилотники будущего

Насекомые-дроны-киборги — теперь это не фантастика, а перспективное направление для множества научных разработок. В мировых лабораториях уже много лет ведутся работы над подчинением воли членистоногих для военных и гражданских целей. 

В 2009 году на мировые экраны вышел фильм «Аватар». В киноленте было показано, как ученые используют насекомоподобных дронов-разведчиков, «стрекоз», для изучения флоры и фауны Пандоры. Впрочем, концепция использования насекомых как управляемых существ появляется в научной фантастике гораздо раньше: в 1953 году культовый американский писатель-фантаст Филип К. Дик опубликовал рассказ «Король эльфов» (The King of the Elves) в журнале Beyond Fantasy Fiction. В произведении речь шла об эльфах, использующих жуков-дронов. 

Первая же научная формулировка идеи относится к концу XX века. В 1997 году инженер Исао Симойя из Токийского университета на одной из научных конференций впервые предложил использовать живых насекомых как платформы для микромашин. А первые успешные лабораторные эксперименты с радиоуправляемым кибернетическим насекомым были совершены также в Японии учеными Института RIKEN. 

Дальше всех продвинулись в США. В 2006 году Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) запустило программу Hybrid Insect Micro-Electro-Mechanical Systems (HI-MEMS). Следует уточнить, что эта организация подчиняется Министерству обороны США и занимается разработкой революционных технологий для обеспечения военного превосходства Соединенных Штатов в самых разных областях — от искусственного интеллекта и кибербезопасности до робототехники и биоинженерии. Целью DARPA было создание кибернетических насекомых, чьи движения можно контролировать дистанционно в реальном времени. Для этого Агентство финансировало ряд университетов, поставив задачу интеграции микросистем в тело насекомого на ранних стадиях метаморфоза (видоизменения и перехода в другую форму развития с приобретением нового внешнего вида и функций), чтобы ткани срослись с электроникой, создав единый киборг-организм. Полный радиоуправляемый полет жука-киборга был продемонстрирован в 2009 году группой профессора Мишеля Махарбиза из Калифорнийского университета. Микрочип с радиоприемником и батареей крепился на спину насекомого, а электроды имплантировались в оптические доли мозга и мышцы, отвечающие за полет. Подавая сигналы на определенные электроды, исследователи заставляли жука взлетать, поворачивать влево или вправо и садиться по команде с пульта дистанционного управления. Позже, в сотрудничестве с Наньянским технологическим университетом (Сингапур), команда разработала аналогичную систему еще более тонкого контроля.

Команда профессора Барани Рамана из Университета Вашингтона в Сент-Луисе пошла другим путем. Вместо управления движением ученые решили использовать встроенный биологический сенсор насекомого — его обонятельную систему. Саранчу, чьи антенны являются сверхчувствительными детекторами запахов, превратили в живой биосенсор. Для этого насекомому имплантировали микроэлектроды в область мозга, обрабатывающую обонятельные сигналы, а затем обучили его распознавать запахи различных взрывчатых веществ, включая тротил и динамит. Когда обученная саранча улавливала целевой запах, характерный паттерн нейронной активности считывался электроникой, подававшей сигнал тревоги. Это создало принципиально новую систему детектирования, превосходящую по чувствительности многие искусственные аналоги.

Стоит отметить, что сейчас ученые решают не только милитаристические задачи с помощью кибернетических насекомых. Одно из направлений — разведка и наблюдение в недоступной среде. Это наиболее активное направление для военной сферы. Впрочем, жук-киборг с камерой или микрофоном также может проникнуть в завалы после землетрясений, щели обрушившихся зданий или труднодоступные помещения, представляя собой идеальный инструмент для поиска выживших.

Еще одно направление — экологический мониторинг и «живые датчики». Здесь насекомое используется в качестве носителя миниатюрной сенсорной платформы или, как в случае с саранчой, источника биологических данных. Так, рой бабочек или пчел, оснащенных датчиками качества воздуха, радиации или химического загрязнения, способен покрыть огромную территорию, что позволит составить детальную экологическую карту в реальном времени. Проекты в этом направлении активно развиваются, например, для мониторинга сельскохозяйственных полей. Насекомых-киборгов пытаются использовать в нейробиологии и медицине для понимания того, как работает нервная система. Управляя полетом жука, можно изучать принципы нейропластичности и пытаться общаться, «разговаривать» на языке нейронов. Такие знания могут помочь в восстановлении двигательных функций у пациентов после инсульта или травмы спинного мозга.

Активнее всего разработки ведутся в Соединенных Штатах, что объясняется значительным и стратегическим финансированием со стороны Агентства DARPA, а также наличием мощных исследовательских центров в университетах Беркли, Мичигана, Вашингтона и других. США задали тренд своей программой HI-MEMS и продолжают оставаться в лидерах и в смежных областях микроробототехники. Однако Сингапур и Китай — не менее серьезные конкуренты. Азиатские страны делают ставку на передовые материалы и миниатюризацию. Исследователи из Наньянского технологического университета и Пекинского университета регулярно публикуют прорывные работы по созданию сверхлегких гибких интерфейсов для насекомых и управлению ими с помощью оптогенетики. Ученые из Японии и Германии также вносят значительный вклад, зачастую фокусируясь на биогибридных системах, вдохновленных насекомыми, и вопросах энергоавтономности. Например, европейский проект COGNO был нацелен именно на создание полностью контролируемых кибернетических организмов для исследовательских целей. Таким образом, гонка за созданием совершенного гибридного беспилотника превратилась в глобальное соревнование, где биологический дизайн, позаимствованный у природы, становится стратегическим ресурсом.

Насекомые-киборги — новая парадигма для современных технологий. За сотни миллионов лет эволюция ювелирно отточила биологические конструкции, к которым человеческая инженерия только стала активно подбираться. Однако уже сейчас все чаще звучат предостережения, что такое «соревнование с природой» требует крайней осторожности. Технология, позволяющая управлять жуком или считывать «мысли» саранчи, заставляет задуматься об этических границах, где живой организм и цифровая составляющая тесно переплетаются. Поэтому от использования новых технологий зависит, станет ли это гармоничным взаимодействием с миром живой природы, который уже полон готовых к полету «беспилотников»