Управляемые насекомые

Исследователи из школы компьютерных наук и инженерного дела, факультетов электротехники и инженерии Вашингтонского университета в Сиэтле разработали концептуальный проект видеокамеры весом 248 мг (плюс батарейка 0,5 г), которая укрепляется на спине жука или микророботе.

Чёрно-белое видео 15 fps с разрешением до 160120 px передаётся по Bluetooth на расстояние до 120 метров. Объектив поворачивается на 60. Управление со смартфона.

Ранее учёные проводили опыты по дистанционному управлению жуками (2009), молью (2008) и тараканами (2012) путём стимулирования мозга электродами, так что это очень перспективная смежная разработка. Фактически, сейчас для радиоуправляемых насекомых сделали камера-модуль.


Радиомодуль управления тараканом. Фото: университет Северной Каролины, 2012

Дистанционное управление тараканами не просто научная разработка. DIY-комплекты для проведения медицинской операции и электроника для установки на таракана уже поступили в открытую продажу.


DIY-комплект для установки на таракана


Операция на таракане в домашних условиях

Есть хорошие результаты и в экспериментах по имплантации в живых насекомых ячейки с биотопливом для питания электроники (см. научную работу 2012 года), то есть все элементы паззла по созданию шпионского жука или таракана-киборга с дистанционным управления складываются вместе.

Впрочем, конкретно новая видеокамера питается не от биоячейки, а от 0,5-граммовой батареи на 10 мА. Этого хватает на 6 часов работы при установке на обычном чёрном жуке. Конечно, можно сделать самодельного мобильного робота, но пока что модели человеческой разработки не могут сравниться по манёвренности и мощности с настоящими насекомыми, чей дизайн отточен миллионами лет эволюции.


Варианты миниатюрной беспроводной видеокамеры для чёрного жука и мобильного робота

Разработку новой видеокамеры исследователям пришлось начинать с нуля, потому что никакие существующие решения не годятся. Даже самые маленькие глотаемые видеокамеры, которые снимают внутри человеческого организма, с элементами питания весят более 1 грамма, что слишком много для жука или таракана.

Сосредоточившись на небольших размерах и эффективности, они начали с имеющегося на рынке сверхмалого CMOS-датчика шириной 2,3 мм и весом 6,7 мг. Они выбрали также микросхему Bluetooth 5.0 (шириной 3 мм, 6,8 мг) и начали экспериментировать, как соединить эти две вещи с минимумом промежуточного оборудования для трансляции сигнала камеры.


Полевые испытания жука с видеокамерой

Для рабочей камеры также потребовался объектив (20 мг) и антенна, провод длиной 5 мм. На плату поставили акселерометр, чтобы движение насекомого можно было использовать для запуска камеры, сводя к минимуму избыточные кадры от дремлющего жука или неподвижного робота на подзарядке.



Последний фрагмент схемы это механически управляемая головка, весящая 35 мг и доводящая вес беспроводной камеры до 84 мг. Это уже готовый привод с 60-градусным углом поворота, который разработали коллеги из Вашингтонского университета для своих миниатюрных летающих роботов. К сожалению, для пьезоэлектрического привода требуется повышающий преобразователь весом 96 мг. Это огромные затраты, но исследователи пошли на такой шаг, потому что они не могут реально управлять жуком и вынуждены поворачивать камеру в случае необходимости.


Научная статья Беспроводное управляемое зрение для живых насекомых и насекомых-роботов Викрама Айера, Али Наджафи, Йоханнеса Джеймса, Сойера Фуллера и Шьямната Голлакоты из Вашингтонского университета опубликована 15 июля 2020 года в журнале Science Robotics (doi: 10.1126/scirobotics.abb0839).

Чтобы разместить такую видеокамеру на пчелу или муху, нужно провести дополнительную оптимизацию, потому что тот же шмель поднимает не более 100200 мг полезной нагрузки. Главным ограничением здесь является система питания, так что на шмеле желательно использовать солнечные элементы.