Ett internationellt team ledd av forskare vid RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) har konstruerat ett system för att skapa fjärrstyrda cyborgkackerlackor, utrustade med en liten trådlös kontrollmodul som drivs av ett laddningsbart batteri kopplat till en solcell. Trots de mekaniska anordningarna tillåter ultratunn elektronik och flexibla material insekterna att röra sig fritt. Dessa prestationer, rapporterade i den vetenskapliga tidskriften npj Flexible Electronics den 5 september kommer att hjälpa till att göra användningen av cyborginsekter till en praktisk verklighet.

Forskare har försökt att designa cyborginsekter - dels insekter, dels maskin - för att hjälpa till att inspektera farliga områden eller övervaka miljön. Men för att användningen av cyborginsekter ska vara praktisk måste hanterare kunna fjärrstyra dem under långa tidsperioder. Detta kräver trådlös kontroll av deras bensegment, som drivs av ett litet uppladdningsbart batteri. Att hålla batteriet tillräckligt laddat är grundläggande – ingen vill ha ett plötsligt utomkontrollerat team av cyborgkackerlackor som strövar omkring. Det är möjligt att bygga dockningsstationer för att ladda batteriet, men behovet av att återvända och ladda kan störa tidskänsliga uppdrag. Därför är den bästa lösningen att inkludera en solcell ombord som kontinuerligt kan se till att batteriet förblir laddat.

Allt detta är lättare sagt än gjort. För att framgångsrikt integrera dessa enheter i en kackerlacka som har begränsad yta krävde forskargruppen att utveckla en speciell ryggsäck, ultratunna organiska solcellsmoduler och ett vidhäftningssystem som håller maskineriet fäst under långa perioder samtidigt som det tillåter naturliga rörelser.

Under ledning av Kenjiro Fukuda, RIKEN CPR, experimenterade teamet med madagaskarkackerlackor, som är cirka 6 cm långa. De fäste den trådlösa benkontrollmodulen och litiumpolymerbatteriet på toppen av insekten på bröstkorgen med hjälp av en specialdesignad ryggsäck, som var modellerad efter kroppen av en modellkackerlacka. Ryggsäcken var 3D-printad med en elastisk polymer och anpassade sig perfekt till kackerlackans krökta yta, vilket gjorde att den styva elektroniska enheten kunde vara stabilt monterad på bröstkorgen i mer än en månad.

Den ultratunna 0,004 mm tjocka organiska solcellsmodulen monterades på ryggsidan av buken. "Den kroppsmonterade ultratunna organiska solcellsmodulen uppnår en effekt på 17,2 mW, vilket är mer än 50 gånger större än effektuttaget från nuvarande toppmoderna energiskördande enheter på levande insekter", enligt Fukuda.

Den ultratunna och flexibla organiska solcellen, och hur den fästes på insekten, visade sig nödvändig för att säkerställa rörelsefrihet. Efter att noggrant undersöka naturliga kackerlackarörelser insåg forskarna att buken ändrar form och delar av exoskelettet överlappar varandra. För att tillgodose detta, interfolierade de självhäftande och icke-vidhäftande sektioner på filmerna, vilket gjorde att de kunde böjas men också förbli fästa. När tjockare solcellsfilmer testades, eller när filmerna var jämnt fästa, tog kackerlackorna dubbelt så lång tid att springa samma sträcka och hade svårt att räta upp sig när de låg på rygg.

När dessa komponenter väl integrerats i kackerlackorna, tillsammans med ledningar som stimulerar bensegmenten, testades de nya cyborgsarna. Batteriet laddades med pseudo-solljus i 30 minuter, och djur fick svänga åt vänster och höger med den trådlösa fjärrkontrollen.

"Med tanke på deformationen av bröstkorgen och buken under grundläggande rörelse, verkar ett hybrid elektroniskt system av stela och flexibla element i bröstkorgen och ultramjuka enheter i buken vara en effektiv design för cyborgkackerlackor", säger Fukuda. "Dessutom, eftersom bukdeformation inte är unik för kackerlackor, kan vår strategi anpassas till andra insekter som skalbaggar, eller kanske till och med flygande insekter som cikador i framtiden." + Utforska vidare

Ultratunn organisk solcell är effektiv och hållbar