CEMS: Kakerlaken-Cyborgs als Suchtrupp bei Katastrophen

Es ist noch ein weiter Weg, bis künstliche Miniroboter wirklich für Such- und Rettungseinsätze in Katastrophengebieten eingesetzt werden, da der Stromverbrauch, der Rechenaufwand für die Fortbewegung und das Hindernisvermeidungssystem zu hoch sind. Forschern des japanischen RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) haben nun eine Methode gefunden, ein hybrides System aus Insekt und Computer, das die Plattform eines lebenden Insekts mit einem Mikrocontroller verbindet, zu entwickeln.

Hierfür wird eine Solarzelle als Stromquelle genutzt, die mit einem kleinen “Rucksack” an eine Kakerlake geschnallt werden kann. Dieser Rucksack ist aus einem elastischen Polymer 3D-gedruckt worden, um eine möglichst genaue Passform zu erzielen, bei der die Stromquelle nicht einfach abrutscht, sich das Insekt aber ungehindert bewegen kann. Ebenfalls mit dem Rucksack befestigt ist das Steuermodul, mit dem die Bewegungen der bis zu 6cm großen Kakerlake gesteuert werden können.

“Es ist von grundlegender Bedeutung, dass die Batterie immer ausreichend geladen ist – niemand möchte, dass plötzlich eine Gruppe von Cyborg-Kakerlaken außer Kontrolle gerät”, sagt Masataka Sasabe vom RIKEN-Forschungsinstitut. “Es ist zwar möglich, Andockstationen zum Aufladen der Batterie zu bauen, aber die Notwendigkeit, zurückzukehren und nachzuladen, könnte zeitkritische Missionen stören. Die beste Lösung ist daher eine integrierte Solarzelle, die kontinuierlich dafür sorgt, dass die Batterie aufgeladen bleibt.”

Cyborgs als Katastrophenhilfe

Als primäres Einsatzgebiet sehen die Forscher die Katastrophenhilfe und Bergungsmissionen. Da diese Umstände für Menschen zu gefährlich wären und meist nur sehr wenig Bewegungsraum zur verfügung steht, eignen sich Kakerlaken perfekt für derartige Bedingungen. Laut Sasabe und seinem Team ist jedoch die Speicherung von genügend Energie für eine reibungslose Steuerung noch ein Problem, an dem gearbeitet werden muss.

Eine Option wäre zwar das Zurückkehren zur Basis, um zu laden, stattdessen schlagen die Forscher aber eine Installation von Energiegewinnungsgeräten vor, die sich unterwegs selbst aufladen.

Dennoch steigert eine Solarzelle die Kapazität enorm. Bei enzymatischen Biobrennstoffzelle beträgt die Leistung 333 μW. In früheren Studien hat sich gezeigt, dass dies die ausreichende Menge ist, um das Steuerungsmodul am laufen zu halten. Die Solarzelle bringt jedoch 10 mW Leistung mit sich, man kann hier also von einem vielfachen des früheren Potenzials reden.

Nun musste nur noch eine Methode gefunden werden, diese Module auch an dem Insekt anzubringen, ohne es in seiner Bewegungsfreiheit einzuschränken.

“Um Geräte in kleine Tiere mit begrenzter Oberfläche zu integrieren und Lasten zu tragen, ist ein Gerätedesign und eine Integrationsstrategie für großflächige Solarzellen erforderlich”, erklären die CEMS-Wissenschaftler in ihrem Forschungspapier. “Da die Ausgangsleistung der Solarzelle proportional zur Fläche ist, beeinträchtigen sowohl die Last des Geräts als auch der Kontakt zwischen dem Gerät und den beweglichen Gelenken die Bewegungsfähigkeit erheblich.”

Erschaffung des Kakerlaken-Cyborgs

Die beste Option eine passgenaue Halterung zu schaffen, war für die Forscher der 3D-Druck. Hierfür nutzten sie den Formlabs Form 3 3D-Drucker und Elastic 50A als Material. Diese elastische Polymer bietet die nötige Flexibilität, sich an den gekrümmten Körper der Kakerlake anzupassen und nicht zu verrutschen.

Anschließend befestigte das Team ein 4 µm dickes organisches Solarzellenmodul, das nach der Verstärkung des Stromkreises eine Spannung von 4,2 V lieferte. Verbunden mit einem Drahtlosen Modul, konnten externe Server Signale senden und empfangen. Gezielte Elektroschocks bringen schlussendlich die Kakerlake dazu sich in die gewünschten Richtungen zu bewegen.

Trial und Error

Bei den ersten Test zeigten sich Probleme mit der Solarzelle. Die Solarzelle war zu dick und hat die Kakerlake nicht nur zu groß für den gewünschten Einsatzbereich gemacht, sondern auch ihre Geschwindigkeit verringert. Deshalb entschlossen sie sich, statt der 3 µm dicken Folie einen Harzklebstoff zu verwenden, was die Kakerlake wieder flink und wendig machte.

Die Solarzelle kann das Modul bis zu 2 Stunden lang mit Strom versorgen, ehe sie leer ist. So kamen die Forscher zum Schluss, dass ihre Designstrategie für die Befestigung von Elektronik auf Schaben das Aktivitätsspektrum erweitern könnte und vielfältige Funktionen für Cyborg-Insekten realisierbar gemacht werden könnten.

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