DARPA превращала бабочек в киборгов ещё в 2009 году. Вот как это работает
В 2009 году DARPA профинансировала исследование, в котором электронику имплантировали в куколки бабочек — и насекомые сами выращивали ткани вокруг микросхем. Технология оказалась на удивление эффективной.
Вместо того чтобы прикреплять электронику к взрослому насекомому, исследователи вживили электроды в куколку и позволили метаморфозу сделать всю инженерную работу за них.
Насекомые, которые растут вокруг микросхем
Бывает, что научная работа из совершенно другого десятилетия вдруг всплывает в ленте — и заставляет пересмотреть всё, чем ты занимаешься. Именно это произошло, когда на горизонте появилась статья 2009 года из IEEE Transactions on Biomedical Engineering, посвящённая интерфейсам «насекомое — машина».
Исследование финансировалось агентством DARPA в рамках программы HI-MEMS (Hybrid Insect Micro-Electro-Mechanical Systems) — «гибридные микроэлектромеханические системы на основе насекомых». Звучит как название плохого научно-фантастического фильма, но документ вполне реальный и вполне себе опубликованный в рецензируемом журнале.
В чём суть эксперимента
Группа исследователей под руководством Альпера Бозкурта (Alper Bozkurt) работала с Manduca sexta — табачным бражником, крупной ночной бабочкой. Идея была элегантно безумной: не пытаться вживить электронику во взрослое насекомое с уже сформированным телом, а сделать это на стадии куколки, когда организм ещё перестраивается.
Метод назвали EMIT — Early Metamorphosis Insertion Technology, технология ранней имплантации во время метаморфоза. Гибкие микропроизведённые электроды из полиимида с золотыми контактными площадками вживлялись куколкам примерно за семь дней до выхода взрослой особи. А дальше начиналось самое интересное.
Биология делает инженерию
Пока бабочка развивалась, её ткани обрастали имплантированными зондами. Но исследователи пошли дальше: на кончиках электродов были сделаны отверстия диаметром 200 микрометров — не для того чтобы ткань обросла вокруг электроники, а чтобы мышечная ткань проросла сквозь неё. Биология стала частью системы крепления.
Насекомое само залечивало место введения электрода — хитиновый покров затягивался вокруг точки входа безо всякого клея. Более того, когда исследователи попробовали заклеивать рану адгезивом, результат стал хуже: склеивались тканевые слои, которые должны были свободно разделяться при выходе бабочки из куколки. Пришлось отказаться от клея и довериться самому организму.
Результаты впечатляют: 90% бабочек успешно вышли из куколки с полностью расправленными крыльями, а в 98% случаев электроды оказались точно в нужных летательных мышцах. Более 100 имплантаций — статистика вполне солидная.
Управление полётом
Через имплантированные электроды исследователи могли считывать электрическую активность мышц и стимулировать их. Стимуляция одной мышцы тянула крыло вниз, другой — вверх. Стимуляция обоих мышц с достаточно высокой частотой останавливала взмахи. А если воздействовать на одну сторону летящей бабочки — она поворачивала в сторону стимуляции.
Да, это означает, что электрическими импульсами можно было направлять полёт живого насекомого. Отдельная статья того же исследовательского направления — «Radio Control of Insects for Biobotic Domestication» — описывает радиоуправляемую нейромышечную стимуляцию во время полёта.
Но важно понимать разницу между «можно вызвать моторные реакции, меняющие траекторию полёта» и «построен полностью управляемый живой квадрокоптер». Это не одно и то же. Животное остаётся животным, и полный детерминистический контроль над его поведением продемонстрирован не был.
Что на самом деле гениально
Удалённое управление — это, конечно, эффектная часть истории. Но с инженерной точки зрения настоящая находка — сам подход. Использовать развитие организма как часть процесса сборки.
В обычных условиях имплантация во взрослый организм означает борьбу с уже готовой структурой. Ткани уже на месте. Хитин уже затвердел. Вы врезаете в то, что не было спроектировано для размещения вашего устройства.
А здесь — электроника вживляется в момент, когда организм и так занимается чудовищной реконструкцией. Мышцы формируются, покровы образуются, структуры перестраиваются. Вместо того чтобы заставить готовый организм принять электронику, исследователи позволили организму выстроиться вокруг неё.
Почему это важно
Эта работа 2009 года — не просто забавный исторический курьёз. Она демонстрирует принципиально иной подход к созданию интерфейсов между живым и электронным.
Обычно в мире искусственного интеллекта и робототехники мы воссоздаём биологию в программном обеспечении: искусственные нейроны, искусственное восприятие, искусственные среды. Подход HI-MEMS идёт в противоположную сторону — не пересоздавать биологическую машину, а дополнить её недостающей вычислительной возможностью.
Насекомое уже оснащено всем необходимым: глазами, химическими сенсорами, механорецепторами, системой управления полётом, управлением энергопотреблением, возможностью к саморемонту, навигацией и автономным нервным аппаратом. Всё это — в организме размером с компьютерный чип.
Зачем строить всё это с нуля, если можно подключиться к тому, что уже работает?
Тонкая грань между реальностью и хайпом
Описания этого исследования в интернете иногда сильно преувеличивают. «Высокоскоростной интерфейс насекомое — машина» — такое встретить можно, но к реальности это имеет отдалённое отношение. Созданный интерфейс был стабильным механически и функциональным электрически, но речь шла о взаимодействии с конкретными нейромышечными группами, а не о подключении Ethernet к мозгу бабочки.
Авторы статьи, впрочем, честно обсуждают перспективы: стимуляцию не только мышц, но и мозга, и грудных ганглиев, подачу искусственных сигналов в сенсорные системы и даже дистанционное обучение отдельных насекомых через кондиционирование. Это уже звучит как следующий уровень, который на момент публикации оставался на уровне идей.
Что это значит для нас
DARPA в 2009 году решила задачу с одной стороны границы: электроника может стать физически интегрированной с развивающимся насекомым достаточно глубоко, чтобы считывать данные с его управляющей системы и записывать в неё.
Вопросы, которые стоят сегодня — например, что произойдёт, если информация, полученная одним организмом, сохранится за его пределами и станет доступна другому — дополняют эту работу, но идут перпендикулярно. Одна система внештатизирует управление, другая — память.
А в перспективе, где эти два подхода встретятся, возникает архитектура, которая пока звучит скорее как философская задача: если тела заменяемы, а приобретённая информация сохраняется, то что именно является «продолжающимся индивидом»?
Но пока это вопросы из области фундаментальных исследований, а не ближайшего апдейта вашего смартфона. Важно другое: даже пятнадцать лет назад наука умела делать вещи, которые до сих пор не вошли в массовое сознание. Иногда самые революционные идеи не взрывают новостную ленту — они тихо лежат в архивах IEEE и ждут, когда кто-нибудь их найдёт.
На основе статьи, первоначально опубликованной на dev.to. Исследование: Bozkurt A., Gilmour R.F. Jr., Sinha A., Stern D., Lal A. «Insect–Machine Interface Based Neurocybernetics». IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 56, No. 6, June 2009.