پژوهشگران دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور یک سوسک سایبورگ ساختند که میتواند تا سه ساعت زیر آب مأموریت انجام دهد.
این سوسکهای سایبورگ با استفاده از چاپ سهبعدی، دوربین مادونقرمز، سامانه کنترل از راه دور و یک لباس غواصی ویژه به حشرهای تبدیل شدهاند که میتواند تا سه ساعت زیر آب زنده بماند و به حرکت ادامه دهد. پژوهشگران معتقد هستند که این فناوری میتواند در آینده به عملیات امداد و نجات، جستوجوی افراد گرفتار زیر آوار و حتی مأموریتهای فضایی کمک کند.
این پروژه، جدیدترین دستاورد در حوزه سایبورگهای زیستی به حساب میآید؛ حوزهای که حدود دو دهه پیش با برنامه HI-MEMS آژانس پروژههای پژوهشی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) توجه پژوهشگران را به خود جلب کرد. در این رویکرد، به جای ساخت رباتهای کاملاً مکانیکی، از تواناییهای طبیعی موجودات زنده استفاده میشود و تجهیزات الکترونیکی برای افزایش قابلیتها به بدن آنها افزوده میشود.
تیم پژوهشی به سرپرستی هیروتاکا ساتو در دانشگاه فناوری نانیانگ سالها است روی توسعه سوسکهای سایبورگ کار میکند. این گروه پیشتر موفق شده بود با استفاده از تحریک الکتریکی، حرکت سوسکها را از راه دور کنترل کند و حتی در سال ۲۰۲۴ حرکت هماهنگ گروهی این حشرات را به نمایش بگذارد. با وجود این، یکی از محدودیتهای اصلی این پروژه ناتوانی سوسکها در عبور از محیطهای آبگرفته و سیلابهای کمعمق بود.
پژوهشگران برای رفع این مشکل، طراحی تجهیزات همراه سوسک را از ابتدا بازنگری کردند و در نهایت سامانهای ساختند که امکان فعالیت طولانیمدت حشره را در زیر آب فراهم میکند. نتیجه این تلاش، سوسک سایبورگی است که میتواند در آزمایشهای مرحلهای تا سه ساعت در عمق ۵۰ سانتیمتری زیر آب باقی بماند و همچنان مأموریت خود را انجام دهد.
به گفته پژوهشگران، این عمق برای بیشتر سناریوهای امداد و نجات کافی است. خیابانهای آبگرفته، گودالها، کانالهای کمعمق و ساختمانهایی که بخشی از آنها دچار آبگرفتگی شدهاند، از جمله محیطهایی هستند که این حشرات میتوانند در آنها به جستوجو بپردازند.
یکی از نکات قابل توجه این پروژه، حفظ عملکرد حرکتی سوسک در شرایط زیر آب است. نتایج آزمایشها نشان میدهد که سرعت حرکت این حشره روی خشکی حدود ۸٫۷۵ سانتیمتر بر ثانیه است. این سرعت هنگام حرکت زیر آب تنها به ۷٫۸۴ سانتیمتر بر ثانیه کاهش پیدا میکند. این اختلاف اندک نشان میدهد تجهیزات جدید، تأثیر بسیار کمی بر توانایی حرکتی سوسک گذاشتهاند.
A) لباس غواصی این سوسک سایبورگ از سه بخش اصلی تشکیل شده است: (i) مولد اکسیژن، (ii) پوسته انعطافپذیر و ضدآب و (iii) لولههای انتقال اکسیژن. اکسیژن تولیدشده از طریق این لولهها و به کمک اتصالدهندههای ویژه به منفذهای تنفسی سینه منتقل میشود و یک مسیر تنفسی کاملاً آببندیشده را ایجاد میکند.B) طراحی مولد اکسیژن. (i) نمای انفجاری مولد اکسیژن که شامل یک محفظه حاوی اسفنج سلولزی آغشته به دیاکسید منگنز (MnO₂)، یک درپوش آببندی و یک غشای میکروحفرهای آبگریز از جنس PTFE است.(ii) سازوکار عملکرد غشای میکروحفرهای آبگریز PTFE که اجازه عبور گاز را میدهد، اما از نفوذ مایع جلوگیری میکند.C) تصویر میکروسکوپی نوری از منفذهای تنفسی سینه. منفذ تنفسی سمت چپ، اسپیراکل پروتوراسیک است که با ساختاری شبیه لب باز میماند. منفذ تنفسی سمت راست، اسپیراکل مزوتوراسیک است که تقریباً بسته است و تنها یک سوراخ کوچک در آن باز میماند.D) اتصالدهندههای اختصاصی منفذهای تنفسی همراه با لولههای انتقال اکسیژن که برای اتصال دقیق به اسپیراکلهای سوسک طراحی شدهاند.E) مراحل نصب لوله انتقال اکسیژن همراه با اتصالدهنده روی منفذهای تنفسی سوسک:(i) و (ii) نصب روی اسپیراکل پروتوراسیک، (iii) و (iv) نصب روی اسپیراکل مزوتوراسیک. سوسکها برخلاف بسیاری از حشرات شناگر حرفهای نیستند، اما میتوانند با حرکت پاها روی آب جابهجا شوند و در محیطهای آبی مسیر خود را پیدا کنند. پژوهشگران احتمال میدهند این حشرات بتوانند در عمقهای بیشتری نیز فعالیت کنند، اما آزمایشهای فعلی تنها تا عمق ۵۰ سانتیمتر انجام شده است.
بیشتر بخوانید: آلمانها از سوسکهای جاسوسی رونمایی کردند!
مهمترین بخش این فناوری، لباس غواصی اختصاصی چاپ سهبعدی است که برای هر سوسک سایبورگ طراحی شده است. این لباس بسیار سبک روی بدن حشره قرار میگیرد و مجموعهای از تجهیزات تنفسی را در خود جای داده است. لولههای بسیار باریکی از این لباس به منفذهای تنفسی سوسک که «اسپیراکل» نام دارند متصل میشوند و اکسیژن مورد نیاز را به دستگاه تنفسی حشره میرسانند.
منبع تولید اکسیژن نیز طراحی جالبی دارد. پژوهشگران به جای استفاده از کپسولهای سنگین و پرفشار اکسیژن، از یک اسفنج کوچک حاوی پراکسید هیدروژن و دیاکسید منگنز استفاده کردهاند. واکنش کنترلشده این دو ماده، اکسیژن را با سرعتی مشخص تولید میکند و آن را به تدریج وارد دستگاه تنفسی سوسک میکند. این روش وزن تجهیزات را کاهش میدهد و امکان استفاده طولانیتر از سامانه را فراهم میکند.
انتخاب سوسک به عنوان بستر این پروژه نیز کاملاً هدفمند بوده است. پژوهشگران بیان کردند که کنترل پاهای سوسک با ارسال پالسهای الکتریکی بسیار سادهتر از بسیاری از حشرات دیگر است. علاوه بر این، ساختار بدن و نحوه حرکت این حشره امکان عبور از سطوح ناهموار، شکافهای باریک و موانع پیچیده را فراهم میکند؛ قابلیتی که بسیاری از رباتهای کوچک هنوز به آن دست پیدا نکردهاند.
یکی دیگر از مزیتهای مهم سوسکها، مصرف انرژی بسیار پایین آنها است. این حشرات میتوانند چندین هفته بدون غذا زنده بمانند و بدن آنها انرژی لازم را برای حرکت به طور طبیعی تأمین میکند. به همین دلیل پژوهشگران نیازی به نصب باتریهای بزرگ برای حرکت حشره ندارند و تنها تجهیزات الکترونیکی مانند دوربین مادونقرمز، سامانه بیسیم و کنترلکننده از یک باتری کوچک استفاده میکنند.
این ویژگی میتواند یکی از بزرگترین چالشهای رباتیک کوچکمقیاس را برطرف کند. در بسیاری از رباتهای مینیاتوری، باتری بخش عمده وزن دستگاه را تشکیل میدهد و مدت مأموریت را محدود میکند. در سوسکهای سایبورگ، انرژی زیستی خود حشره این مشکل را تا حد زیادی حل میکند.
پژوهشگران اعلام کردهاند که هدف اصلی آنها استفاده از گروههای بزرگی از این سوسکها در عملیات امداد و نجات است. این حشرات میتوانند وارد شکافهایی شوند که انسان یا حتی رباتهای کوچک امکان ورود به آنها را ندارند. دوربینهای مادونقرمز نصبشده روی بدن آنها نیز میتواند آثار گرمای بدن انسان را شناسایی کند و محل افراد گرفتار را به نیروهای امدادی اطلاع دهد.
A) تصویر مفهومی از عملکرد سوسک سایبورگ هنگام فعالیت در زیر آب.B) طراحی ساختاری لباس غواصی و سازوکار تولید اکسیژن برای سوسک سایبورگ.(i) لباس غواصی از یک پوسته انعطافپذیر و ضدآب، یک مولد اکسیژن یکپارچه و لولههای انتقال اکسیژن تشکیل شده است.(ii) مولد اکسیژن با استفاده از واکنش کاتالیزوری دیاکسید منگنز (MnO₂) و پراکسید هیدروژن (H₂O₂) روی یک اسفنج سلولزی، اکسیژن و آب تولید میکند.(iii) اکسیژن تولیدشده از طریق لولههای انتقال اکسیژن به منفذهای تنفسی جلویی و میانی سینه (اسپیراکلهای پروتوراسیک و مزوتوراسیک) منتقل میشود. C) نمایش حرکت سوسک سایبورگ در شرایط واقعی. تصاویر، عملکرد این حشره مجهز به لباس غواصی را در سه مرحله نشان میدهند:(i) پایین رفتن از سطح،(ii) حرکت در زیر آب،(iii) بالا آمدن و خروج از آب. کاربردهای این فناوری به عملیات امدادی محدود نمیشود. تیم تحقیقاتی در حال بررسی استفاده از این سوسکهای سایبورگ در محیطهای صنعتی، تأسیسات زیرزمینی، معادن، خطوط لوله، فاضلابها و دیگر مکانهایی است که دسترسی به آنها برای انسان دشوار یا خطرناک است.
پژوهشگران حتی به آیندهای دورتر نیز فکر میکنند. آنها معتقد هستند نسلهای بعدی این سایبورگهای زیستی میتوانند در مأموریتهای فضایی و کاوش سیارات دیگر مورد استفاده قرار گیرند. از نگاه آنها، مقاومت بالای سوسکها در برابر شرایط سخت، این حشرات را به گزینهای مناسب برای بررسی محیطهایی مانند سطح مریخ تبدیل میکند.
دلیل این خوشبینی، ویژگیهای زیستی منحصربهفرد سوسکها است. این حشرات میتوانند هفتهها بدون غذا و آب زنده بمانند، در محیطهایی با اکسیژن کم یا غلظت بالای دیاکسیدکربن به فعالیت ادامه دهند و در برابر میزان قابل توجهی از پرتوهای یونساز مقاومت کنند. همچنین با بستن منفذهای تنفسی خود قادر هستند تا حدود ۴۰ دقیقه نفس نکشند.
سوسکها تقریباً از هر ماده آلی قابل مصرف تغذیه میکنند و در برابر بسیاری از آلایندهها، سموم و آفتکشها مقاومت بالایی دارند. سیستم ایمنی آنها نیز توانایی مقابله با بسیاری از عوامل بیماریزا را دارد و سرعت بالای تولیدمثل و سازگاری آنها با شرایط جدید باعث شده است این حشرات یکی از مقاومترین گونههای جانوری روی زمین باشند.
در کنار این پروژه پژوهشی، نمونههای تجاری سادهتری نیز از سوسکهای کنترلپذیر در بازار عرضه شدهاند. این کیتها امکان هدایت سوسک را با استفاده از تلفن همراه فراهم میکنند، اما قابلیتهایی مانند دوربین مادونقرمز، لباس غواصی و سامانه تولید اکسیژن که در پروژه دانشگاه فناوری نانیانگ توسعه یافتهاند، همچنان در سطح پژوهشی قرار دارند و برای مأموریتهای تخصصی طراحی شدهاند.
