Пьезогенератор для жука-терминатора

Американским ученым для того, чтобы разработать и опробовать новый тип генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую, пришлось использовать киборга. Они имплантировали устройство в тело жука-носорога. Эта установка должна была снабжать энергией другие имплантанты — сенсоры для видеонаблюдения и микросхемы жука-разведчика.

Фото:

Я думаю, все мы помним страшного, но временами весьма симпатичного Терминатора, которого великолепно сыграл в серии фильмов знаменитый актер Арнольд Шварценеггер. Этот Терминатор (что переводится с латинского языка как "тот, кто завершает", то есть "уничтожитель"), был киборгом — гибридом робота и живого организма. До недавнего времени многие считали, что такие существа возможны лишь в кино и компьютерных играх. Однако недавно инженерам удалось создать киборга. Правда, он совсем маленький и вовсе не страшный.

Дело в том, что ученые Европы, США и Израиля в последнее время работают над созданием роботов, похожих на насекомых. Маленькие, летающие механизмы, напоминающие жуков, стрекоз или пчел, оснащены всевозможными микросенсорами, среди которых и видеокамеры, и детекторы различных веществ, и уловители различных электромагнитных колебаний. По идее, они должны стать идеальными наблюдателями, поскольку смогут быстро перемещаться и залезать в любые щели и скважины.

Читайте также: Ученые скоро "выведут" птицепчелу

Эти "кибернетические насекомые" уже давно были нужны самым различным специалистам — военным, спасателям, пожарным, сотрудникам спецслужб, научные работникам, чья деятельность проходит в полевых условиях. Предполагается, что их можно будет использовать для ведения разведки в самых сложных ситуациях — при выслеживании террористов, во время сильного пожара, для обнаружения людей под завалами после землетрясений и т. п. Действительно, небольшие насекомые-роботы могут забираться в места, недоступные никаким другим средствам наблюдения.

Однако до сих пор основным препятствием на пути широкого использования этих маленьких наблюдателей является отсутствие миниатюрных мощных источников электропитания. Любая батарейка сильно утяжеляет конструкцию, да и, кроме того, ее заряд не вечен. То есть роботу нужно постоянно подзаряжаться, а это сказывается на его мобильности — он не может улететь далеко от "заправочной станции". То есть его возможности как разведчика оказываются весьма ограниченными.

Поэтому специалисты из университета штата Мичиган и Калифорнийского в Беркли (США) решили пойти по другому пути — создать настоящего "киборга". В итоге в тела живых жуков-носорогов (род Oryctes) просто имплантировали все нужные микросхемы. Это было осуществлено еще два года назад. С тех пор было произведено несколько пробных "вылетов" этих разведчиков. Сама методика дала, в общем-то, неплохие результаты, однако, несмотря на то что теперь не нужно было тратить много энергии на движение, все равно проблема снабжения электричеством микросхем осталась. Причем в классическом виде: маленькая батарейка быстро разряжалась, а большая — лишала жука возможности летать.

Ученые долгое время пытались решить проблему снабжения сенсоров и микросхем электроэнергией. Было испробовано множество вариантов, но все они не принесли должного результата. Однако в итоге выход из этого тупика оказался простым и весьма оригинальным.

Исследователям пришло в голову изящное решение — извлечь необходимое электричество из биологической энергии насекомого (тепла или движений). Для этого был разработан пьезогенератор, снабжающий электричеством микроаккумулятор и, соответственно, через него, небольшие имплантированные датчики и микросхемы.Этотгенератор, похожий на небольшой рюкзачок на спине насекомого, с помощью тонкой спирали воспринимает механическую энергию движения крыльев и преобразует ее в электрическую.

Для того, чтобы сделать такую малюсенькую "пьезу", были использованы лазерные технологии и достаточно сложный процесс создания микроструктур из объемной пьезоэлектрической подложки.

Во время полетов с этим с генератором на спине жук выделял во время движений в общей сложности 115 мкВт энергии. Два прототипа генераторов объемом 11,0 и 5,6 мм³ смогли "забрать" из этого количества 7,5 и 11,5 мкВт соответственно. Это, конечно, немного, но для нормальной работы имплантированных устройств в течение часа вполне хватало. Сейчас ученые работают над созданием такой модели устройства, которая смогла бы извлечь из движения крыльев 18,5-22,5 мкВт.

По расчетам изобретателей, если "киборга" снабдить двумя устройствами подобного типа, то можно получить систему мощностью до 45 мкВт. Кроме того, они надеются, что в будущем удастся получить более прямую связь между генератором и мышцами крыла насекомого. В таком случае выход энергии увеличится на порядок, и тогда жук сможет обеспечивать электричеством сенсоры в течение нескольких часов.

Конечно же, использовать самого "киборга" в качестве наблюдателя, судя по всему, не будут — предыдущие эксперименты показали, что живых жуков очень сложно заставить полететь туда, куда нужно людям. Особенно это касается экстремальных ситуаций — ни одно насекомое в здравом уме и трезвой памяти не полетит, например, в зону, охваченную огнем или в места токсических выхлопов. Также абсолютно нереально добиться того, чтобы "киборг" все время следовал за конкретным человеком — насекомые все-таки по способности подчиняться командам весьма уступают собакам.

Кроме того, срок жизни насекомого весьма невелик, у жуков-носорогов, на которых проводились эксперименты, он составляет всего лишь несколько недель. Да и вероятность того, что живое насекомое погибнет или "придет в негодность" в результате несчастного случая, тоже весьма велика — их тела ведь достаточно хрупкие.

Поэтому в данном случае жуки всего лишь выступили в роли "подопытных кроликов" — в опытах с киборгами ученые пытаются изучить взаимодействие мышц крыла с пьезогенератором, и потом уже, на основе полученных данных создать целиком искусственного "жука", в котором будет реализована схема подобной подзарядки. А вот его уже можно будет сделать из легких, но прочных материалов, например, из металлополимеров, которые не так быстро изнашиваются.

Здесь, правда, имеется еще одна проблема — ведь полностью механическим жукам потребуется энергия и для того, чтобы просто летать. Следовательно, и аккумулятор для них придется делать более объемный, и генератор куда мощнее. Однако, по словам изобретателей, это не является неразрешимой задачей, если будет до конца понятна схема преобразования механической энергии движения крыла в электрическую. Кроме того, искусственного жука можно будет также снабдить и другими источниками энергии — например, солнечными батареями.

Так что если в ближайшее время к вам в окно вдруг случайно залетит жук с рюкзаком на спине, не надо бояться. Это не Терминатор, который явился для того, чтобы уничтожить вас, а всего лишь "подопытный кролик", с помощью которого ученые пытаются выяснить, как обратить на пользу человечества то, что давным-давно создала природа…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"