Сингапурские инженеры создали захват на основе Венериной мухоловки — хищного растения, ловящего насекомых в закрывающуюся ловушку. Инженеры подсоединили к ловушке электроды и научились активировать ловушку при помощи электростимуляции. Статья опубликована в журнале Nature Electronics. Вместо небольших роботов в некоторых ситуациях может быть удобно использовать гибридные организмы, состоящие из насекомого (или другого животного) и электроники для управления им. Этот подход позволяет объединять эффективные органы движения живых организмов с дополнительными устройствами. В этой области уже есть заметные разработки. Например, инженеры уже умеют управлять ходячими и летающими насекомыми, а также для них уже созданы прототипы миниатюрных камер и сбрасываемых по команде датчиков.
Инженеры из Наньянского технологического университета под руководством Сяодуна Чэня (Xiaodong Chen) показали, что по аналогии с животными-киборгами можно создавать и растения с внешним электронным управлением. Они взяли за основу Венерину мухоловку — хищное растение, выделяющееся тигмонастией, то есть способностью быстро двигаться в ответ на механические раздражения. У нее есть ловушки, состоящие из двух половинок, раскрытых в нормальном состоянии. На внутренней поверхности створок ловушки есть чувствительные волоски, которые при механическом воздействии, например, приземлении насекомого, дают ловушке сигнал на захлопывание. При этом у нее есть предохранительный механизм, предотвращающий случайные срабатывания — она умеет считать механические стимулы на волосках. Если ловушка обнаружила два касания волосков, она захлопывается, а если после этого произошло еще три касания, она выделяет пищеварительные ферменты.
Механизм срабатывания ловушки основан на возникновении потенциала действия при контакте жертвы с волосками и последующем набухании части ловушки из-за осмоса. Инженеры решили использовать эту особенность и искусственно создавать потенциал действия с помощью электростимуляции. Они создали четыре электрода, каждый из которых крепится на внешнюю сторону ловушки (по два на каждую створку: один для стимуляции, а другой для измерения потенциалов). Электроды состоят из полидиметилсилоксанового слоя, выполняющего роль подложки и относительно жесткой основы, сетки из тонких электропроводных золотых нитей, расположенных в случайном порядке, и слоя гидрогеля, который обеспечивает качественный контакт с поверхностью ловушки.
Эксперименты с электродами показали, что у ловушки есть пороговое напряжение стимуляции в полтора вольта, начиная от которого в ней образуется потенциал действия. Инженеры также обнаружили у ловушки рефрактерный период — минимальное время между возникновением двух потенциалов действия. Он оказался равным 1,2 секунды. При этом обычно во время стимуляции постоянным током время между двумя потенциалами было случайным. Инженеры также попробовали стимулировать ловушку периодическим сигналом с прямоугольным профилем и обнаружили, что это дает гораздо большую точность и скорость создания потенциалов действия. При частоте в два герца потенциалы действия в ловушке возникали раз в 1,3 ± 0,1 секунды. Соответственно, время отклика ловушки, то есть ее срабатывания после начала стимуляции, составляет то же время.
Инженеры создали на основе отрезанной ловушки Венериной мухоловки три прототипа захватов. Один из них состоит из ловушки и подключенного микроконтроллера ESP8266 с поддержкой Wi-Fi. Они показали, как ловушка срабатывает по нажатию кнопки на смартфоне, передающем сигнал на микроконтроллер. Второй прототип — это простой манипулятор с наклоняемой частью, на конце которого находится ловушка. С его помощью они смогли захватить и поднять небольшую проволоку. Третий прототип позволил показать, что стимуляция позволяет достаточно точно рассчитывать время срабатывания ловушки и ловить даже двигающиеся цели, в данном случае — небольшой грузик на нитке.
