Het is half robot, half kakkerlak, het insect dat Japanse onderzoekers hebben gecreëerd. Het klinkt weinig aanlokkelijk, maar het is een reuzenuttig beestje, of eigenlijk cyborg.
Onderzoekers werken al lang aan de ontwikkeling van cyborg-insecten. Cyborg is een samentrekking van cybernetic en organism. Deze insecten zijn dus half dier, half machine. Ze zijn handig om gevaarlijke gebieden te inspecteren of de omgeving te monitoren. Maar dan moeten ze wel lange tijd van afstand bestuurbaar zijn. Dat betekent dat de poten draadloos moeten kunnen bewegen door ze van stroom te voorzien met piepkleine oplaadbare batterijen. Het is cruciaal dat die batterijen goed opgeladen blijven, want niemand wil een stel cyborg-kakkerlakken dat ongecontroleerd op eigen houtje gaat rondlopen. Hoewel het mogelijk is om oplaadpunten te maken om de batterij op te laden, is dat in veel gevallen niet handig: de cyborgs moeten dan terugkeren naar het oplaadpunt wat hun taak flink kan verstoren. De oplossing: een zonnepaneel op de rug van de dieren. Daarmee kan de batterij gegarandeerd opgeladen blijven.
Speciaal rugzakje
Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN heeft precies dat ontwikkeld: een op afstand bestuurbare cyborg-kakkerlak uitgerust met een klein draadloos controlesysteem dat van stroom wordt voorzien door een oplaadbare batterij die verbonden is aan een zonnepaneel. Ondanks alle mechanische onderdelen kunnen de insecten vrij bewegen. De bevindingen, die in vakblad Flexible Electronics verschenen, maken daarmee van de cyborg-insecten een praktische realiteit.
Makkelijk was dat niet. Om alle apparatuur met de kakkerlak te integreren hebben de onderzoekers een speciaal rugzakje ontwikkeld met een ultradunne organische zonnecel en een hechtingsmechanisme dat ervoor zorgt dat de apparatuur voor lange tijd blijft zitten, terwijl het dier natuurlijk kan blijven bewegen.
Proefkonijn
De sissende kakkerlak was het proefkonijn. Dit insect, afkomstig van Madagaskar, behoort tot de grootste kakkerlakken ter wereld en wordt gemiddeld zo’n 6 centimeter lang. Het dier kreeg het draadloze beenmechaniek om en een lithium-polymeerbatterij op de rug. De rugzak waar de batterij in zat is van elastisch polymeer en gemaakt met een 3D-printer. Hij kon zo speciaal gevormd worden naar het gebogen schild van de kakkerlak. Zo bleef het elektronische apparaatje meer dan een maand stabiel op de rug zitten.
De organische zonnecel is met o,004 millimeter ultradun. “De op het lichaam gemonteerde ultradunne zonnecelmodule haalt een vermogen van 17,2 mW, wat meer dan vijftig keer zoveel is als het vermogen van de huidige apparaten op levende insecten”, zegt onderzoeksleider Kenjiro Fukuda.
Ultradun
Het was noodzakelijk om het zonnepaneel ultradun te maken en op een speciale manier te bevestigen aan de kakkerlak, zodat hij zich nog vrij kon bewegen. De onderzoekers realiseerden zich, toen ze de bewegingen van de kakkerlak bestudeerden, dat de buik van vorm verandert en dat delen van het exoskelet overlappen. Om daaraan tegemoet te komen wisselden de onderzoekers klevende en niet-klevende delen af op de zonnecel, waardoor ze nog konden buigen, maar het zonnepaneel toch vast bleef zitten. Bij dikker materiaal of wanneer het op uniforme wijze bevestigd was, deden de kakkerlakken er twee keer zo lang over om een stuk te rennen. Ook hadden ze moeite om weer overeind te komen als ze op hun rug lagen.
De cyborg is geboren
Nadat de kakkerlakken waren uitgerust met de zonnecellen en de draden om hun poten te laten bewegen, werden de nieuwe cyborgs getest. De batterij werd dertig minuten lang opgeladen en de dieren moesten met de draadloze afstandsbediening naar links en naar rechts bewegen. Dat lukte, waarmee de eerste cyborg-kakkerlak het levenslicht zag.
“Gezien de vervorming van de buik en borst tijdens basale bewegingen, is een hybride elektronisch systeem van rigide en flexibele elementen in de thorax en ultrazachte apparaten in de buik het meest effectieve design voor cyborg-kakkerlakken”, zegt Fukuda. “Belangrijker nog: deze vervorming van het abdomen is niet uniek voor kakkerlakken dus onze aanpak kan ook worden toegepast bij andere insecten zoals kevers of zelfs in de toekomst bij vliegende insecten zoals cicaden.”
