Инженеры из США разработали киборга-медузу, в которую были вживлены электроды для электростимуляции мышц. Чтобы увеличить скорость перемещения этого биогибрида, ученые решили разместить на его куполе специальный обтекатель в форме полуэллипса. Это позволило увеличить скорость передвижения медузы в 4,5 раза. Исследование, в котором приведены результаты работы, опубликовано на arXiv.org.
В 2020 году исследователи из США научились контролировать морских медуз с помощью вживленных электродов. Электрическая стимуляция позволила увеличить скорость перемещения ушастых аурелий (Aurelia aurita) в 2,8 раза. Однако ученые из Калифорнийского технологического института не остановились на этом и создали улучшенную версию медузы-киборга.
Электростимуляция плавательных мышц медузы осуществляется через электроды, вживленные под купол медузы. Прямоугольные импульсы с частотой 0,5 Гц и продолжительностью 10 мс, с напряжением 3,7 В, используются для стимуляции мышц. При этом ученые выяснили, что при закреплении на внешней стороне купола колпака-обтекателя в форме полуэллипса меняется характер течения потоков воды вокруг медузы. Это приводит к дополнительному увеличению скорости перемещения.
В системе медузы-киборга пластиковый 3D-печатный обтекатель прикреплен к деревянному стержню, который проходит через тело медузы. На противоположном конце стержня находится водонепроницаемый контейнер, содержащий бортовую электронику с микропроцессором и аккумулятором. Инженеры стремились достичь слабой положительной плавучести биогибрида, чтобы вес обтекателя не оказывал влияния на его вертикальную скорость.
Эксперименты проводились в вертикальном бассейне высотой шесть метров, вмещающем 13 600 литров соленой воды. Для исследований использовались медузы вида Aurelia aurita, которые не обладают центральной нервной системой и ноцицепторами. Поэтому предполагается, что опыты не причиняют им страданий. Медуз выпустили в бассейн сверху и с помощью электростимуляции заставляли плыть вниз. Оказалось, что наибольшее увеличение скорости достигается при использовании обтекателя, высота полуэллипса которого равна диаметру основания обтекателя. С его помощью скорость перемещения медузы-киборга увеличивается в 4,5 раза по сравнению с естественным режимом плавания.
Благодаря пустому пространству под обтекателем, составляющем около 105% объема медузы, внутри него можно разместить дополнительные полезные нагрузки. Например, можно установить емкий аккумулятор, позволяющий медузе-киборгу работать до 22 недель, а также различные сенсоры для измерения окружающей среды. Такую биогибридную медузу можно использовать для длительного исследования океанов, в том числе на большой глубине.
Инженеры часто находят вдохновение в животном мире при разработке роботов. Многие живые организмы благодаря эволюции развили эффективные способы передвижения, которые исследователи стремятся повторить. Но есть и альтернативный подход – использование живых организмов для управления ими и выполнения нужных действий и команд. По сути, их превращают в киборгов. Так, ученые из Сингапура придумали, как подчинить себе тараканов, не причиняя им вреда.
