Исследователи на практике выяснили, сколько электричества можно получить от взмахов крыльев жуков. Такой сбор энергии пригодится для питания миниатюрных сенсоров, переносимых самими насекомыми.
Жуки, задействованные в эксперименте, достигали двух сантиметров в длину (фото Ethem Erkan Aktakka).
По меньшей мере в трёх университетах США вот уже несколько лет работают над превращением жуков в летающих киборгов. Интегрированная электроника (камеры, микрофоны, датчики веществ) позволила бы таким созданиям выступать в роли незаметных разведчиков, инспекторов окружающей среды и так далее.
Прежде чем монтировать генераторы
на самого жука, учёные подвесили
насекомое в жёстком креплении и
с помощью тонкой палочки из пьезоэлектрического
материала измерили усилия, развиваемые
насекомым в разных точках его тела.
При этом от движений подопечного
удалось снять до 115 микроватт
мощности
(фото Ethem Erkan Aktakka, University of Michigan).
В 2009 году учёные впервые добились произвольно контролируемого полёта живого жука, выполнявшего команды оператора, словно радиоуправляемая модель. Но электроника, которую насекомое тащило на спине, питалась от крошечной батарейки, а это не позволяло рассчитывать на длительное применение киборга в поле. Вот если бы жук ещё сам себя подзаряжал…
Теперь профессор Халил Наджафи (Khalil Najafi) и докторант Этхем Эркан Актакка (Ethem Erkan Aktakka) из университета Мичигана продемонстрировали решение проблемы.
Учёные разработали несколько вариантов миниатюрных пьезоэлектрических генераторов, закрепляемых на спинах животных. Концы этих упругих балок касаются надкрылий и колеблются вслед за движениями жесткокрылых.
В роли подопытных выступали зелёные июньские жуки (Cotinis nitida). Актакка и Наджафи поэкспериментировали с разными точками размещения генераторов, а также измерили доступные отклонения концов балок, развиваемые насекомым усилия и мощности.
Два начальных прототипа, установленные непосредственно на насекомом, позволили снять с него 11,5 и 7,5 микроватта при частоте колебаний крыльев 85-100 герц (жук был закреплён в лабораторной установке).
Далее был создан улучшенный образец в виде крошечной спирали. Для него даже была разработана технология производства из монолитного куска пьезоэлектрического материала: тонкую спираль вырезали фемтосекундным лазером.
Каждый испробованный в опыте пьезоэлектрический генератор занимает объём в считанные кубические миллиметры и весит доли грамма (фото Ethem Erkan Aktakka, University of Michigan).
Последняя модель была испытана на устройстве, имитирующем крылья жука. Система развивала усилие, равное ранее измеренному на живом создании.
Эта спираль выдала мощность уже в 18,5-22,5 микроватта. Авторы опыта предположили, что размещение на насекомом пары подобных генераторов (по одному на крыло) позволит получать более 45 мкВт электричества. В дальнейшем экспериментаторы намерены не просто поместить финальный образец на жука, но и испытать его в свободном полёте.
Кроме того, новаторы высчитали, что если подсоединить подобные микрогенераторы напрямую к летательным мускулам, доступную бортовой электронике мощность можно будет поднять ещё в десять раз. Но это уже идея на перспективу, как и снабжение надкрыльев насекомого гибкими солнечными ячейками.
Таким жука-разведчика авторы работы видят в отдалённой перспективе (иллюстрация Ethem Erkan Aktakka).
Итоги проделанной работы подведены в статье в Journal of Micromechanics and Microengineering.
Добавим также, что финансировались эти эксперименты исследовательским агентством Пентагона DARPA в рамках программы по интеграции микроэлектромеханических систем и насекомых (Hybrid Insect MEMS), стартовавшей в 2006 году.
