Jak powstają zwierzęta cyborgi?

Na hasło "cyborg" każdemu z nas przychodzi od razu do głowy bohater lub bohaterka filmu czy powieści SF. Robot w ludzkiej skórze wysłany z misją odwrócenia biegu historii to tylko jeden z przykładów, który stał się ikoną w kulturze masowej.

Współczesna rzeczywistość zaczyna coraz bardziej przenikać się z fikcją. W laboratoriach na całym świecie naukowcy pracują nad wspomaganiem żywych istot za pomocą technologii. Ponieważ analogiczne eksperymenty na ludziach budziłyby słuszny opór moralny, co jakiś czas świat obiegają wiadomości dotyczące zwierząt-cyborgów.

Zwierzę-cyborg - co to takiego?

"Cyborg zwierzęcy" to termin używany do opisania żywej istoty, której forma fizyczna została wzbogacona o element technologii w celach eksperymentalnych. Zwierzęce cyborgi stanowią obiecujący obszar badań z kilku powodów.

• Po pierwsze, jedną z największych przeszkód w rozwoju ludzkich cyborgów są ograniczenia dotyczące testów na ludziach. Na przykład etycznie dopuszczalne jest całkowite kontrolowanie ruchów muchy lub chrząszcza, co pozwala nam zrozumieć, w jaki sposób systemy nerwowe mogą być zespolone z obwodami elektronicznymi. Pomaga to w rozwoju takich dziedziny jak choćby bionika.
• Zwierzęta rozwinęły również pewne zdolności, których nie umiemy naśladować lub odtworzyć nawet z pomocą najbardziej zaawansowanych technologii. Systemy lotu muchy lub kolibra znacznie przewyższają nawet nasze najbardziej zręczne samoloty i drony.
• Opierając się na umiejętnościach różnych organizmów, nie musimy zaczynać od zera, a zamiast tego możemy skupić się na nowatorskich połączeniach naturalnych zdolności zwierząt z naszymi technologicznymi ulepszeniami.
• Zwierzęce cyborgi mogą również zaoferować wgląd w inteligencję zwierząt. Inteligencja jest antropocentrycznym pojęciem i często używa się jej jako elastycznej kategorii poznawczej, która ma odróżniać nas "zwykłych" zwierząt.
• Ponadto zwierzęce cyborgi pozwalają nam zrozumieć i docenić zwierzęta w nowy sposób. Na przykład dzięki wszczepieniu łososiowi urządzeń śledzących, zaczęliśmy doceniać niezwykłą umiejętność tego gatunku, która pozwala mu podróżować tysiące kilometrów i wracać dokładnie do tego strumienia, w którym złożył tarło. Czego dowiedzielibyśmy się o inteligencji innych naczelnych, instalując szympansowi bonobo urządzenie do emisji głosu? Tak jak postępy w nawigacji otworzyły nasze horyzonty kulturowe, tak postępy w technologiach informatycznych mogą być kluczem do zrozumienia nowych horyzontów inteligencji i kultury wielu gatunków, które nas otaczają.

Karaluchy cyborgi w akcji

Międzynarodowy zespół kierowany przez badaczy z RIKEN (CPR) opracował system produkcji zdalnie sterowanych karaluchów-cyborgów, wyposażonych w maleńki moduł sterowania bezprzewodowego, który jest zasilany przez akumulator podłączony do ogniwa słonecznego.

Pomimo zastosowania rozwiązań mechanicznych, ultracienka elektronika i elastyczne materiały pozwalają owadom na swobodne poruszanie się. Rezultaty tych eksperymentów, o których poinformowano w czasopiśmie naukowym "Flexible Electronics" w dniu 5 września 2022 roku, mogą pomóc nam wykorzystać te niezbyt miło kojarzące się owady.

Naukowcom udało się zatem stworzyć owady-cyborgi. No dobrze, ale do czego mogą one się przydać w naszym życiu?

• przeprowadzanie inspekcji niebezpiecznych obszarów (na przykład silnie skażonych albo trudno dostępnych)
• monitorowaniu środowiska
• cele związane z wojskowością (rekonesans, wywiad)

Wszystko to wydaje się jasne. Przejdźmy zatem do wyzwań, jakie stanęły przed naukowcami.

Zasilanie to podstawa

Aby można było zaprząc te stawonogi do pracy, naukowcy muszą być w stanie kontrolować je zdalnie przez długi czas na przykłąd za pośrednictwem Internetu.

Wymaga to bezprzewodowego sterowania segmentami ich nóg, zasilanymi przez maleńki akumulator. Stałe, niewyczerpalne źródło zasilania jest sprawą fundamentalną - nikt nie chce, aby w jakimś mieście nagle wymknęła się spod kontroli drużyna karaluchów-cyborgów, grasująca po okolicy.

Choć w chwili obecnej naukowcy są w stanie stworzyć mikrostacje dokujące do ładowania baterii, to konieczność powrotu w celu podładowania akumulatorów może utrudnić przeprowadzenie niektórych misji. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest wbudowanie ogniwa słonecznego, które będzie w stanie zapewnić ciągłe ładowanie baterii.

Plecak dla owada

Wszystko to łatwiej powiedzieć niż zrobić. Aby z powodzeniem zintegrować te urządzenia z karaluchem, który ma jednak ograniczone możliwości przenoszenia sprzętu, zespół badawczy musiał opracować specjalny "plecak". Dodatkowo stworzono ultracienkie moduły ogniw słonecznych oraz system mocowania, który utrzymuje cały ekwipunek przez długi czas, pozwalając jednocześnie owadowi na niczym nieskrępowane ruchy.

Prowadzony przez profesora Kenjiro Fukudę zespół eksperymentował z karaczanami madagaskarskimi, które są większe, niż europejskie karaluchy. Mają one około 6 cm długości.

"Zamontowany na ciele ultracienki moduł organicznych ogniw słonecznych osiąga moc 17,2 mW, która jest ponad 50 razy większa niż moc obecnych najnowocześniejszych urządzeń do magazynowania energii na żywych owadach" - stwierdza Fukuda.

Karaluch zmienia kształt

Ultracienkie i elastyczne organiczne ogniwo słoneczne oraz sposób jego przymocowania do owada okazały się niezbędne do zapewnienia swobody ruchu. Po dokładnym zbadaniu naturalnych ruchów karaczana, badacze zdali sobie sprawę, że odwłok zmienia kształt, a części egzoszkieletu zachodzą na siebie.

Aby to skorygować, na foliach umieszczono elastyczne elementy. Mogą one pracować w ruchu i jednocześnie są mocno przytwierdzone. Gdy testowano grubsze folie z ogniwami słonecznymi lub gdy folie były przymocowane "na sztywno", karaluchy potrzebowały dwa razy więcej czasu, by przebiec ten sam dystans i miały trudności z odzyskaniem naturalnej pozycji, gdy leżały na plecach.

Po zintegrowaniu tych elementów z odwłokiem owadów, wraz z przewodami stymulującymi segmenty nóg, nowe cyborgi zostały poddane testom. Baterię ładowano światłem o widmie zbliżonym do słonecznego przez 30 minut. W tym czasie zwierzęta zmuszano do obracania się w lewo i w prawo za pomocą bezprzewodowego pilota.

Naukowcy planują wykorzystać swoje doświadczenia zebrane podczas pracy z karaczanami w pracy z innymi owadami, tym razem latającymi, na przykład cykadami.

Roboty-zwierzęta w terapii

Jednym z problemów ze zwierzętami terapeutycznymi jest to, że wymagają one opieki, karmienia i szkolenia. Także ich opiekunowie potrzebują od czasu do czasu odpocząć. Jednak trudno nie docenić ich użyteczności. Są one nieocenioną pomocą dla osób starszych i tych, którym wypadek lub choroba w inny sposób uniemożliwiają normalne, codzienne życie. Można powiedzieć, że zwierzęta terapeutyczne są kluczowe w powrocie do zdrowia i pozwalają chorym oderwać się od łóżka.

Naukowcy z Japonii postanowili pójść o krok dalej. Stworzono tam fokę-robota, i w ten sposób postanowiono wyjść naprzeciw pacjentom w domach spokojnej starości i ośrodkach opieki paliatywnej. Robot był "dzieckiem" prawdziwej foki o imieniu Paro. Z "pluszowym płaszczem z antybakteryjnego futra", Paro stał się jednym z najbardziej rozpoznawalnych "społecznie interaktywnych robotów" i wziął udział w rehabilitacji milionów starszych osób z demencji i Alzheimerem.

Dlaczego Paro odniósł taki sukces? Z pewnością jest to zasługa tego, iż:

• nadano mu przyjazną formę: był on zarówno miękki, jak i reagujący na dotyk.
• w przeciwieństwie do robotów o ludzkiej formie, nie budził konsternacji u potencjalnych pacjentów.

Główną zaletą robota jest to, że dotrzymuje on towarzystwo i pozwala na nawiązanie kontaktu emocjonalnego w tradycyjnie sterylnym środowisku, jakim jest szpital lub oddział rehabilitacji. W przeciwieństwie do zwierzęcia terapeutycznego z krwi i kości, Paro nie wymagał opiekuna, a jego obecność nie była ograniczona do godzin odwiedzin. Nie trzeba było go karmić ani po nim sprzątać.

Nie sposób nie wspomnieć o kosztach utrzymania, które w jego przypadku były znacznie niższe, niż gdyby zdecydowano się na pełnoetatowe zatrudnienie opiekuna z krwi i kości.

Meduza cyborg w akcji

Pomimo najlepszych wysiłków nauki w celu zbadania oceanu, ogromna część jego głębin pozostaje wciąż nieodkryta. Morza i oceany liczą sobie ponad 1,3 miliarda kilometrów sześciennych - wystarczyłoby to do wypełnienia kuli o szerokości jednej dziesiątej szerokości Ziemi. Drogie narzędzia, takie jak łodzie podwodne, batyskafy i pływające drony, wymagałyby ogromnych nakładów, aby przemierzyć dokładnie choćby ułamek tego bezkresu.

Z pomocą przychodzą żywe stworzenia, takie jak meduzy księżycowe, które od milionów lat żyją w oceanach. W 2022 roku badacze z Kalifornijskiego Instytutu Technologii i Uniwersytetu Stanforda próbują przekształcić te delikatne organizmy w zdalnie sterowane cyborgi.

Naukowcy zbudowali mikroelektroniczną "protezę" lub coś, co możnaby nazwać raczej "kontrolerem pływania". Wszystko z elementów i części, które można zakupić w każdym sklepie z elektroniką. Przymocowali ją do spodniej strony meduzy księżycowej za pomocą krótkiego drewnianego trzpienia, a następnie poprowadzili dwie elektrody od urządzenia do boków jamochłona.

Gdy proteza była aktywna, stymulowała mięśnie meduzy regularnym impulsem elektronicznym. Aby zminimalizować wpływ na zwierzę, badacze zmieścili elektronikę wewnątrz cylindrycznej obudowy o szerokości dwóch centymetrów, dodając korkowe pływaki i nierdzewne obciążniki, aby utrzymać system w stanie neutralnej pływalności. Naukowcy przetestowali urządzenie na sześciu meduzach księżycowych w zbiorniku i stwierdzili, że może ono sprawić, że zwierzęta będą pływać z prędkością prawie trzykrotnie większą niż ich naturalne tempo. Utrzymywały one swoją typową prędkość podczas noszenia nieaktywnego kontrolera pływania. Wyniki zostały opublikowane w Science Advances kilka dni temu.

Prędkość to nie wszystko

Chociaż urządzenie wpływało jedynie na prędkość meduzy, badacze planują dodać do kolejnych wersji zdolności sterowania i odbierania innych bodźców fizykochemicznych. "Widać już, że po wprowadzeniu kilku usprawnień następna generacja meduz-cyborgów będzie w stanie reagować na proste, ale jednocześnie precyzyjne komendy w rodzaju 'skręć w lewo', 'zakręt 40 stopni', 'zawróć po 100 metrach'", mówi współautor badania John Dabiri, inżynierka z Caltech. Po dokonaniu tej modyfikacji naukowcy mogliby również dodać do urządzenia dodatkowe sensory.

"Ostatecznie", kontynuuje Dabiri, "pomysł jest taki, że gdy meduzy wyruszą w trasę, będą w stanie zapisywać temperaturę oceanu, zasolenie, pH i wszystkie zmienne, o których wahania martwimy się, gdy próbujemy określić ilościowo obecne i przyszłe zdrowie oceanu i zmiany klimatyczne".

Dabiri podsumowuje, że badacze mogliby pewnego dnia wykorzystać takie cyborgi do mapowania jakiegoś obszaru, na przykład zbierając dane do czasu, gdy ich kontrolery pływackie zmuszą je do powrotu na powierzchnię.