Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) heeft een systeem ontwikkeld voor het maken van op afstand bestuurbare cyborg-kakkerlakken, uitgerust met een kleine draadloze bedieningsmodule die wordt aangedreven door een oplaadbare batterij die is bevestigd aan een zonnecel. Ondanks de mechanische apparaten laten ultradunne elektronica en flexibele materialen de insecten vrij bewegen. Deze prestaties, gerapporteerd in het wetenschappelijke tijdschrift npj Flexible Electronics op 5 september zal helpen om het gebruik van cyborginsecten een praktische realiteit te maken.

Onderzoekers hebben geprobeerd cyborg-insecten te ontwerpen - deels insect, deels machine - om gevaarlijke gebieden te inspecteren of de omgeving te bewaken. Om het gebruik van cyborg-insecten echter praktisch te maken, moeten handlers ze gedurende lange tijd op afstand kunnen besturen. Dit vereist draadloze bediening van hun beensegmenten, aangedreven door een kleine oplaadbare batterij. Het is van fundamenteel belang om de batterij voldoende opgeladen te houden - niemand wil een plotseling uit de hand gelopen team van cyborg-kakkerlakken die ronddwalen. Hoewel het mogelijk is om dockingstations te bouwen om de batterij op te laden, kan de noodzaak om terug te keren en op te laden tijdgevoelige missies verstoren. Daarom is de beste oplossing om een ​​zonnecel aan boord op te nemen die er continu voor kan zorgen dat de batterij opgeladen blijft.

Dit alles is makkelijker gezegd dan gedaan. Om deze apparaten met succes te integreren in een kakkerlak met een beperkt oppervlak, moest het onderzoeksteam een ​​speciale rugzak, ultradunne organische zonnecelmodules en een hechtsysteem ontwikkelen dat de machines voor lange tijd vasthoudt en tegelijkertijd natuurlijke bewegingen mogelijk maakt.

Onder leiding van Kenjiro Fukuda, RIKEN CPR, experimenteerde het team met kakkerlakken uit Madagaskar, die ongeveer 6 cm lang zijn. Ze bevestigden de draadloze beenbedieningsmodule en lithium-polymeerbatterij aan de bovenkant van het insect op de thorax met behulp van een speciaal ontworpen rugzak, die was gemodelleerd naar het lichaam van een modelkakkerlak. De rugzak was 3D-geprint met een elastisch polymeer en paste perfect bij het gebogen oppervlak van de kakkerlak, waardoor het stijve elektronische apparaat meer dan een maand stabiel op de thorax kon worden gemonteerd.

De ultradunne organische zonnecelmodule van 0,004 mm dik werd aan de dorsale zijde van de buik gemonteerd. "De op het lichaam gemonteerde ultradunne organische zonnecelmodule bereikt een vermogen van 17,2 mW, wat meer dan 50 keer groter is dan het vermogen van de huidige ultramoderne apparaten voor het oogsten van energie op levende insecten", aldus Fukuda.

De ultradunne en flexibele organische zonnecel, en hoe deze aan het insect was bevestigd, bleek nodig om de bewegingsvrijheid te waarborgen. Na zorgvuldig de natuurlijke bewegingen van de kakkerlak te hebben onderzocht, realiseerden de onderzoekers zich dat de buik van vorm verandert en dat delen van het exoskelet elkaar overlappen. Om dit mogelijk te maken, hebben ze klevende en niet-klevende delen op de films geschoven, waardoor ze konden buigen maar ook vast bleven zitten. Wanneer dikkere zonnecelfilms werden getest, of wanneer de films uniform waren bevestigd, deden de kakkerlakken er twee keer zo lang over om dezelfde afstand af te leggen en hadden ze moeite om zichzelf op hun rug te krijgen.

Nadat deze componenten in de kakkerlakken waren geïntegreerd, samen met draden die de beensegmenten stimuleren, werden de nieuwe cyborgs getest. De batterij werd gedurende 30 minuten opgeladen met pseudo-zonlicht en de dieren moesten links en rechts afslaan met behulp van de draadloze afstandsbediening.

"Gezien de vervorming van de thorax en de buik tijdens de basisbeweging, lijkt een hybride elektronisch systeem van stijve en flexibele elementen in de thorax en ultrazachte apparaten in de buik een effectief ontwerp te zijn voor cyborg-kakkerlakken", zegt Fukuda. "Bovendien, aangezien buikvervorming niet uniek is voor kakkerlakken, kan onze strategie worden aangepast aan andere insecten zoals kevers, of misschien zelfs vliegende insecten zoals krekels in de toekomst." + Verder verkennen

Ultradunne organische zonnecel is efficiënt en duurzaam