На проходящей в Балтиморе международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 инженеры из Корнельского университета (Cornell University) представили результаты исследований, которые демонстрируют прогресс в области разработки радиоактивных источников питания для кибернетических организмов.
В частности, профессор Амит Лел (Amit Lal) и аспирант Стивен Тин (Steven Tin) показали прототип микроэлектромеханического (microelectromechanical systems, MEMS) передатчика – радиоизлучающего устройства, получающего питание от источника с периодом полураспада 12 лет, что означает автономную работу в течение многих десятилетий. Исследователи считают, что новый RFID-передатчик, генерирующий 5-мВт импульсы длительностью 10 мкс на частоте 100 МГц, поспособствует распространению радиоизотопных элементов.
Исследование спонсируется агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency — Агентство передовых оборонных исследовательских проектов), курирующего и другой проект Лела и Тина – HI-MEMS (Hybrid Insect Micro-Electro-Mechanical Systems – гибридные микроэлектромеханические системы на жуках), в рамках которого создаются кибернетические организмы. По словам Тина, частью работы над радиоизотопными передатчиками является разработка источника энергии для насекомых. За четыре года учёные уже опробовали имплантируемую контролирующую электронику на жуках и бабочках. Методика позволяет управлять живыми организмами и исследовать опасные территории, вести скрытое наблюдение или поиск пропавших в результате катастроф людей. Но по большей части это потенциальные сферы применения, которые будут освоены с дальнейшим развитием технологий.
Насекомые получают энергию от собственных процессов жизнедеятельности, электронике же необходим отдельный источник питания. Однако батареи были бы слишком тяжелы для миниатюрных созданий, и проблемы логистики не позволяют регулярно производить их замену. Поэтому Лел со своей группой исследователей обратился к радиоактивным изотопам. Чтобы удерживать состояние памяти в обычном беспроводном сенсоре с низким энергопотреблением, необходимо от 1 нВт до 10 нВт. Периодическое проведение измерений и обработка данных повышает мощность до уровня 0,1-1 мВт. Если устройство обладает способностью устанавливать связь для обмена информацией, тогда ему может понадобиться до 100 мВт. С небольшим количеством радиоактивного материала пьезоэлектрический MEMS-генератор корнельской команды учёных вырабатывает достаточный объём энергии для создания мощных радиочастотных импульсов каждые три минуты. Материал – это никель-63 (Ni-63) – изотоп с «мягкой» радиоактивностью, имеющий дополнительные нейтроны в ядре. Распад элемента приводит к излучению бета-частиц, представляющих собой относительно безвредные высокоэнергетические электроны.
RFID-передатчик конвертирует энергию распада в механическое движение микроэлектромеханического устройства. Крошечная конструкция в виде кремниевого пьезоэлектрического стержня толщиной 40 мкм и длиной от 4 до 8 мм на чипе подвешена над радиоактивной плёнкой, как доска для прыжков в воду над бассейном. Испускаемые электроны собираются на стержне, приобретающем отрицательный заряд. Он притягивается к положительно заряженной плёнке Ni-63, и в момент касания заряд переходит обратно в плёнку, при этом освобождённый от «груза» стержень возвращается в первоначальное положение. Колебания и приводят к генерированию энергии. Процесс продолжается до тех пор, пока изотоп не будет истощён, на что по словам учёных понадобится около 100 лет. Период каждого колебания равен трём минутам. Параметры могут быть изменены путём компромисса между выходной мощностью и длительностью аккумулирования заряда. Например, 30-секундные импульсы будут означать снижение мощности.
Технология предполагает использование небольшого объёма материала. При этом передатчик является неоптимизированным прототипом с эффективностью преобразования энергии радиоизотопа на уровне 0,06%. Площадь всего устройства – 1 см2. Демонстрация на IEDM вызвала неоднозначную реакцию. Так, исследователь из NEC Electronics Йошихиро Хаяши (Yoshihiro Hayashi) задался вопросом, будет ли источник питания стабильным, учитывая стохастическую (непостоянную) природу радиоактивности. Другой инженер поинтересовался надёжностью, а именно тем, не будет ли разрушаться от бета-частиц электроника и страдать само насекомое? Тин отметил, что частицы от Ni-63 проникают в материалы лишь на глубину 12 мкм, требуя минимальной защиты.
Новое исследование направлено не только на совершенствование кибернетических жуков. Радиоизотопы, считают Лел и Тин, могут революционизировать сенсоры и процесс мониторинга. В октябре HP Labs сообщала о достижении прогресса в работе над рассчитанными на длительную эксплуатацию сенсорами в проекте «Центральной нервной системы для Земли» (Central Nervous System for the Earth (CeNSE) project), нацеленном на покрытие всей планеты небольшими датчиками. Но до сих пор одной из последних нерешённых фундаментальных проблем оставалось питание устройств. Новый сенсор HP потребляет немногим менее 50 мВт – значительно меньше 1 Вт существующих подобных решений. А согласно оценке учёных из Корнельского университета, устройства на основе радиоизотопов могут быть встроены, например, непосредственно в бетонные конструкции, и оставаться там функционирующими в течение сотен лет.
Жуки-киборги на службе у военных:
Результаты недавно проведенных испытаний показали, что инициатива применения насекомых-киборгов в военном деле совсем скоро может стать реальностью.
Проект, возглавляемый группой ученых из Университета Калифорнии в Беркли (University of California in Berkeley) и финансируемый Управлением министерства обороны США по перспективным исследованиям и разработкам (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA), предусматривает создание системы, которая бы позволила осуществлять ручное управление живыми организмами (в данном случае — жуками) на расстоянии.
Для этого специалисты работают с представителями трех видов насекомых, привезенных из Камеруна: cotinis texana длиной 2 см, mecynorhina torquata (7 см) и гигантским megasoma elephas длиной 20 см. На стадии куколки жукам были вживлены миниатюрные модули, позволяющие влиять на их нервную и мышечную активность. Кроме того, в состав «системы дистанционного управления» жуком входит аккумулятор, обеспечивающий автономную работу электроники и радиопередатчик.
По словам исследователей Хиротака Сато (Hirotaka Sato) и Мишеля Махарбиза (Michel Maharbiz), определенных успехов достичь уже удалось. К примеру, можно заставить жука взлететь, приземлиться, поворачивать в нужном направлении.
Необходимо отметить, что попытки управления насекомыми с помощью вживленных электронных модулей уже предпринимались, однако успешно сделать это в дистанционном режиме ученым удалось впервые.
В обозримом будущем жуков-киборгов ученые намерены применять в военном деле для транспортировки миниатюрных грузов. Кроме того, «механизированных» насекомых можно использовать для исследования труднодоступных районов и мест.
