Japan: Cyborg-Kakerlaken
Sa., 15. Okt. 2022
Japan — Ein Forscherteam des japanischen Forschungsinstituts RIKEN hat eine normale Madagaskar-Schabe in ein echtes Cyborg-Insekt verwandelt, indem es eine Lithiumbatterie, eine Solarzelle, mehrere Drähte und einen winzigen elektronischen Schaltkreis miteinander verbunden hat. Der Cyborg kann über Bluetooth-Signale gesteuert werden, und die Forscher schlagen vor, dass solche Robo-Käfer in Zukunft für Such- und Rettungsmissionen eingesetzt werden könnten.
Die Forscher bezeichnen ihren Cyborg als Insekten-Computer-Hybridsystem, das ein lebendes Insekt als Plattform und ein Mini-Elektroniksystem als Steuereinheit enthält.
Im Grunde handelt es sich um einen Biobot, der wie ein Roboter gesteuert werden kann, aber die Fähigkeit hat, eine komplexe Umgebung mit der Geschicklichkeit eines Insekts zu erkunden und zu navigieren.
Die Forscher behaupten, dass Insekten-Cyborgs sogar herkömmliche Softroboter übertreffen könnten, wenn es darum geht, sich in der realen Welt zurechtzufinden.
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Unter Berücksichtigung der Körperform der 6 cm langen Kakerlake entwarfen die Forscher einen Polymerrucksack, in dem die gesamte elektronische Ausrüstung untergebracht werden konnte, ohne das Insekt bei der Bewegung zu stören.
Der Rucksack enthielt einen elektronischen Controller, eine Lithiumbatterie und mehrere Drähte. Jedes Kabel war auf der einen Seite mit dem Steuergerät und auf der anderen Seite mit verschiedenen Beinen der Kakerlake verbunden.
Wann immer die Forscher wollen, dass sich die Schabe bewegt, senden sie ein Bluetooth-Signal an die Platine, die über die Drähte elektrischen Strom an die Beine weiterleitet.
Diese Ströme imitieren Sinneseindrücke, die die Kakerlake anweisen, sich nach rechts oder links zu bewegen, und nutzen so reflexives Verhalten aus. Das Gehirn der Kakerlake wird immer noch benötigt, um die Muskeln zu aktivieren und die Kakerlake dazu zu bringen, sich zu bewegen.
Den Forschern wurde jedoch bald klar, dass ein Cyborg-Insekt viele Tage oder sogar Wochen lang funktionieren muss. Die winzige Lithiumbatterie wird nicht ausreichen, um den Energiebedarf so lange zu decken, und da das Gehirn der Schabe intakt ist, könnte sie jede Mission, auf die sie geschickt wurde, aufgeben und weglaufen.
Um die Energieversorgung zu verbessern, wurde eine ultradünne Solarzelle entwickelt und auf dem Bauch der Kakerlake platziert. Obwohl die Solarzelle nur 4x10‑³ mm dick war, lieferte sie das 50-fache der für die Steuereinheit benötigten Energie. Leider war sie so breit, dass sie die Bewegung der Kakerlake behinderte.
Bei den ersten Tests stellten die Forscher fest, dass sich das Insekt nur mit der Hälfte seiner ursprünglichen Geschwindigkeit bewegte, und jedes Mal, wenn es umkippte oder fiel, konnte es nicht mehr in seine normale Ausrichtung zurückkehren.
Die Forscher nahmen einige Anpassungen an der Position und Anordnung der Zelle vor und konnten die Cyborg-Schabe schließlich mit einer Solarzelle und einer Batterie ausstatten, die eine Leistung von 17,2 mW lieferten.
Kenjiro Fukuda, Forscher und einer der Autoren der Studie, erläuterte die Bedeutung der Solarzelleneinheit gegenüber Ars Technica:
"Um die Aufgabe der Stadtrettung zu erfüllen, enthalten Cyborg-Insekten Computer zur Steuerung der Fortbewegung, Sensoren zur Suche nach Menschen und ein drahtloses Kommunikationsgerät.
Diese benötigen insgesamt 10-100 mW an Energie. Daher sind an den Insekten angebrachte Energiesammelvorrichtungen von entscheidender Bedeutung, um den Aktionsradius und die Funktionalität der Biobots zu erhöhen".
Er sagte auch, dass andere Wissenschaftler weitere Arten von Biorobotern vorgeschlagen haben, von Mottenrobotern bis hin zu Cyborg-Käfern.
Den meisten dieser Cyborg-Insekten fehlt jedoch ein Energiesammler am Körper, da die Fläche und die Last des Energiesammlers ihre Mobilität erheblich beeinträchtigen.
Das Hinzufügen einer geeigneten Energiesammelvorrichtung (die Solarzelle) zum Aufladen der elektronischen Steuereinheit eines Cyborg-Insekts war daher eines der wichtigsten Ergebnisse ihrer Forschung.
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Cyborgs vs. Softroboter:
Es mag praktischer und einfacher erscheinen, Softroboter anstelle von Cyborg-Insekten für Such- und Rettungsmissionen einzusetzen. Softroboter würden die Mission nie aufgeben wie Cyborg-Kakerlaken; außerdem können sie schneller und effizienter gemacht werden. Warum brauchen wir also Cyborg-Insekten?
Die Antwort lautet: Energie und Kosten - um eine Kakerlake in einen Cyborg zu verwandeln, brauchen wir nur einen Miniaturschaltkreis, eine Energiequelle, einige Drähte, eine Steuereinheit und einen Polymer-Rucksack. Ein Softroboter wird von Grund auf neu hergestellt.
Obwohl das Anschließen der Drähte an die Beine einer Kakerlake zeitaufwändig erscheinen mag, ist der Zeitaufwand für die Konstruktion eines Softroboters größer. Außerdem haben solche Roboter einen höheren Energiebedarf als ihre Pendants aus der Insektenwelt.
"Wir steuern die Fortbewegung von Insekten mit Hilfe von elektrischen Signalen an sensorische Nerven. Dieser Ansatz erfordert eine Leistungsaufnahme von ~100 uW, was viel weniger ist als die erforderliche Leistungsaufnahme von Bewegungsaktoren für kleine Roboter (typischerweise 100 mW oder mehr)", sagte Fukuda.
Eine Cyborg-Schabe verfügt nicht nur über die Fähigkeiten eines Roboters, sondern navigiert auch durch ihre Umgebung, indem sie ihre natürlichen Sinne einsetzt.
Dies ist etwas, was ein weicher Roboter niemals erreichen kann. Daher argumentieren die Forscher, dass Cyborg-Insekten bei Such- und Rettungseinsätzen eine bessere Unterstützung bieten könnten als jede andere Technologie. Fukuda und sein Team planen nun, Cyborg-Versionen anderer Insektenarten herzustellen, darunter auch solche, die fliegen können.
