חיפושיות סייבורג

זבוב הבית המצוי הוא פלא של הנדסה אווירונאוטית. הוא אשף בהתחמקות ממחבט הזבובים, בין השאר מפני שהוא חובט בכנפיו בקצב אדיר של כ-200 פעמים בשנייה. כדי להגיע לקצב המדהים הזה, מפעיל הזבוב מערך ביו-מכני מורכב.

כנפיו אינן מחוברות באופן ישיר לשרירי החזה שלו. הוא מכווץ ומרפה את השרירים במחזורים קצובים, שגורמים לחזה עצמו לשנות את צורתו. שינוי הצורה הזה גורם לתנודה בכנפיים, בדומה לתנודות של קולן שהקישו בו. כך מצליח הזבוב להפיק הרבה תנועה מכמות זעומה של אנרגיה, ובמאמץ קטן מאוד.

תהליכי המזעור של מעגלי מחשב ושל טכניקות ייצור מיקרוסקופי, מדרבנים מהנדסים לנסות לבנות מכונות מעופפות קטנטנות המחקות את כושר התנועה הזה. ה-DelFly Micro, שהציגו ב-2008 חוקרים מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה שבהולנד, שוקל רק שלושה גרם, מוטת כנפיו 100 מילימטרים, ובכוחו לשאת מצלמת וידאו זעירה. המעופף המלאכותי שנבנה במעבדת המיקרו-רובוטיקה של אוניברסיטת הרווארד קטן עוד יותר.

הוא שוקל רק 0.06 גרם (ועדיין הוא כבד פי ארבעה ויותר מזבוב), אבל מרגע שהוא פורש את כנפיו, אי אפשר לשלוט בתעופתו. ואולם, נקודת התורפה האמיתית של כל החרקים המכניים האלה היא כמות האנרגיה שהם צורכים: עדיין אין אפשרות לטעון סוללות זעירות באנרגיה שתספיק ליותר מכמה דקות טיסה.

בשנים האחרונות מצאנו דרך לעקוף את המגבלות הטכניות האלה. במקום לבנות חרקים רובוטיים מאפס, אנו בונים מכונות מעופפות מחרקים. כך מתבטל הצורך בסוללות כבדות ובטכניקות של ייצור מיקרוסקופי, ואפשר להתמקד במערכות הבקרה המלאכותיות המתערבות לפי הצורך במעופו של החרק. כלומר, החרק עף בעצמו, אבל מפעיל אנושי שולט בו מרחוק באמצעות רכיבים אלקטרוניים המשולבים במערכת העצבים שלו, ופוקד עליו: "פנה ימינה", "פנה שמאלה", "נסוק", "צלול". אנחנו בעצם מייצרים מעופפי סייבורג, חצי מכונה חצי חרק.

הרעיון צץ לפני חמש שנים כשאחד מאתנו (מהרבז) השתתף בסדנה על מעופפי סייבורג שארגנה הסוכנות האמריקנית למחקר ביטחוני מתקדם (DARPA). (הייתי אז מומחה למיקרו-טכנולוגיה, אבל בחרקים לא הבנתי הרבה.) לפני משתתפי הסדנה הוצגו כמה טכנולוגיות המאפשרות לביולוגים לקלוט ולהקליט אותות אלקטרוניים שמפיקים שרירים יחידים של חרקים המעופפים בחופשיות. אמיט לאל, מנהל התכנית של DARPA שארגן את הכנס, סבר שהגיע הזמן להיעזר בפיתוחים האלה ולבדוק אם אפשר גם לשדר אותות חשמליים לאותם שרירים באמצעות מיקרו-מעגלים שיושתלו בחרק ולכוון כך את תנועתו כרצוננו.

לחרקי סייבורג יכולים להיות שימושים צבאיים רבים, כמו למשל האפשרות לברר כמה אנשים מצויים בתוך בניין או מערה ולעמוד על זהותם לפני שמחליטים לשלוח חיילים לטהר את האזור. אותם בני כלאיים של סיליקון ופחמן יכולים להשתתף גם בחידושים בעולם האזרחי, כמו למשל רובוטים דמויי חרקים שידעו למצוא ניצולים בין ההריסות לאחר רעידת אדמה.

למה חיפושיות?

לפני כינוס הוועידה של DARPA, נעשו רבים מן המחקרים הטובים ביותר בתעופת חרקים בארבה, בעשים ובזבובים. חשבתי שאם אתבסס על העבודות האלה, אוכל להפחית את מספר ההתחלות השגויות שהן חלק בלתי נפרד ממחקר בתחום חדש. עש וארבה הם חרקים גדולים באופן יחסי, אבל הם אינם יכולים לשאת משקל רב. לכן הם נפסלו. נשארו הזבובים.

לזבובים יתרונות רבים. ראשית, הביולוגים יודעים עליהם לא מעט. מייקל ה' דיקינסון מן המכון הטכנולוגי של קליפורניה, קלטק, ומדענים אחרים, בדקו בפרטי פרטים אילו שרירים מתכווצים, היכן ומתי, כדי לגרום לזבוב להתרומם ולבצע פניות. יותר מזה, הזבובים חסכוניים להפליא באנרגיה, מה שמאפשר להם לרפרף בכנפיהם ולתמרן באמצעותן במהירויות מדהימות. אבל מבחינה הנדסית, קשה לעבוד עם זבובים.

הם קטנים כל כך עד שצריך להיות ממש ננו-כירורג כדי לשתול בהם את התילים ואת המעגלים הנחוצים, ואני אינני ננו-כירורג. התחלתי לחשוב על חלופות. שפיריות הן גדולות די הצורך ומעופפות נפלא, אבל הן שבריריות מדי. העלנו אפילו את האפשרות להשתמש בתיקנים.

ואז עיינתי בספר "הביולוגיה של קשי-הכנפיים", מדריך קלאסי לעולם החיפושיות שחיבר ר' א' קראוסון ב-1981. מתברר שתעופת החיפושיות דומה לזו של הזבובים. שרירי המעוף בחזה שלהן מעוותים את השלד החיצוני והכנפיים מתנודדות כמו קולן. גם סוגי השרירים ומיקומיהם בגוף החיפושיות נראו דומים לאלה של הזבובים. כמה מחקרים מעניינים שנעשו בחיפושיות בשנות ה-50 של המאה שעברה, רמזו על נקודות התחלה אפשריות.

אבל מה שהיה אולי הכי חשוב הוא שחיפושיות הן גדולות; ממילימטר אחד ועד יותר מעשרה סנטימטרים אורכן. כמו כן, כחמישית מכל מיני החי המוכרים הם מינים של חיפושיות. לכן, מבחינה תיאורטית, הייתה הדרך סלולה. אבל כאן נתקלתי בקושי חדש: רק מעט אנשים בארצות הברית מגדלים חיפושיות גדולות דיין לצרכיי. בסופו של דבר עברו שנים עד שפיתחנו לנו אספקה יציבה, פחות או יותר, של חיפושיות. היום אנחנו מייבאים אותן מאירופה ומאסיה.

בשלב זה הצטרף למעבדה החוקר השני מבינינו (סאטו), כימאי ומומחה בייצור ננוסקופי, כעמית מחקר בפוסט-דוקטורט. מטרתנו הייתה להראות שאפשר לגרום לחרק להמריא, לשלוט בפניותיו ובמהירות הטיסה במידת הצורך, ולעצור אותו כשיגיע לנקודת יעד, וכל זאת באמצעות שליטה מרחוק. כמהנדסים, רצינו שהתפקודים האלה יהיו מהימנים, שנוכל לחזור עליהם ושכמעט לא יפגעו בחרק, אם בכלל.

תחילה היה עלינו לבחור קבוצה מזערית של פעולות שברצוננו לשלוט עליהן לשם הפקת המעופף הסייבורגי הבסיסי. מאחר שרצינו לשלוט בחרקים כשהם במעוף חופשי, נמנענו משיטות שנעשה בהן שימוש בידי אחרים, שנעזרו בחוטים לצורך תמרון החיפושית. גישה כזאת מצריכה חוטים ארוכים מדי שעלולים להסתבך. הסכמנו על בקרה מרחוק בגלי רדיו, בדומה לחובבי טיסה המפעילים מרחוק מכוניות, טיסנים ומסוקים זעירים.

רצינו שיהיה אפשר לפקוד על תחילת הנעת כנפיים ועל סיומה, להגביה או להנמיך את החרק בזמן טיסה, ולגרום לו לפנות ימינה ושמאלה. קבענו במפורש שאיננו רוצים לשלוט בכל ההיבטים של מעוף החרק, משום שהחיפושיות ממילא מצטיינות בהתיישרות מול האופק ובהתאמת המהירות והמסלול לתנאי רוח ולמכשולים.

ועם זאת, רצינו להבטיח את היכולת לשדר אותות ישירות למעגלי העצב-שריר של החרק, כדי שגם אם ינסה לעשות משהו אחר, נוכל למנוע זאת. חרק שיכול להתעלם מפקודותינו איננו רובוט מוצלח במיוחד.

אף שכל הנושא היה חדש לנו, לא גיששנו באפלה. רוב החיפושיות שבחרנו לעבוד אתן מסוגלות לשאת מטען שמשקלו 20%-30% ממשקלן. לפיכך גודל החרק קובע את הגודל המרבי של ציוד הבקרה. מאחר שאנחנו יודעים אילו שרירים מרטיטים את כנפי החיפושית, היה סביר להניח שאם נספק לשרירים בכל אחד מצדי הגוף מכות חשמל קטנות בתדירות שונה, נוכל לשנות את האופן שבו החרק מרפרף בכנפיו ולכוון כך את מסלולו באוויר.

ידענו גם שהחרקים נסמכים הרבה על רשמים חזותיים כשהם מעופפים. בדיוק כמו אצל בני אדם, האור החודר לעיני החרק מפעיל תאי עצב רגישים לאור. האותות מתאי העצב האלה חולפים באונות האופטיות ומגיעים למוח האמצעי ולגנגליונים, שם הם מעובדים. כך מקבל החרק את המידע החזותי תוך כדי תנועה. ידענו גם שכמות האור חשובה באופן כללי. למשל, כשכיבינו בפתאומיות את האור בחדר, החיפושיות הפסיקו מיד לעוף.

מכאן נראה שכדי שהחרקים ימשיכו לרפרף בכנפיהם, הם זקוקים לקלט חושי כלשהו מן העיניים. הסקנו אפוא שגירוי האונות האופטיות או האזורים הקרובים לבסיס האונות האופטיות יכול לחולל תגובות תנועתיות חזקות. מכיוון שהשתלת שתל בעין או באונה האופטית עצמן תפגע בכושר התמרון של החרק, מיקדנו את הגירוי בקרבת בסיס האונות. לא היה צורך לגרות תאי עצב יחידים: כששיגרנו את הדופק החשמלי המתאים לאזור בסיס האונה, המערכת של החיפושית עשתה את השאר, והיא המריאה.

כל ההתחלות קשות

ידענו כישלונות רבים לפני הטיסה המוצלחת הראשונה. בחצי השנה הראשונה עבדנו עם חיפושיות ממין Zophobas morio (שאורכן כסנטימטר וחצי ומשקלן גרם אחד). אפשר להשיג אותן בחנויות של חיות בית, מפני שמאכילים בזחליהם שממיות מחמד וזוחלים קטנים אחרים. למרבה הצער, לא הצלחנו לגרום להן לעוף. הטלנו אותן באוויר מאות פעמים, אבל הן פשוט מיאנו לפרוש כנפיים.

מתברר שחיפושיות מסוג זה פשוט אינן אוהבות כל כך לעוף. (אבל בהחלט למדנו מהן הרבה על אנטומיה של חרקים.) בסופו של דבר עברנו לחיפושית יוני טקסנית ירוקה, Cotinis texana (כשני סנטימטרים אורכה ומשקלה כגרם וחצי). זו נפוצה בדרום מזרח ארה"ב. כינויה העממי הוא June bug.

הצעדים הבאים

אף על פי שכמה מן התוצאות שקיבלנו הן מרהיבות עין ממש, יש עוד עבודה לפנינו. אמנם הראינו שאפשר לגרום לחיפושית לפנות ימינה ושמאלה ולנוע במסלול מעגלי פחות או יותר, אבל אנחנו רוצים להגיע בסופו של דבר להובלת החיפושית במסלולים תלת-ממדיים מסובכים כדי שתוכל לעקוף מכשולים, כמו למשל לרדת בארובות או לעלות בצינורות. לשם כך הוספנו למכשיר מיקרופונים זעירים שמקליטים את משק הכנפיים של החיפושית במעופה. כשהצליל מגיע לרמה מסוימת, שמסמנת, אם הכנף למעלה או למטה, אפשר להפעיל דופקי-גירוי מדויקים על שרירי ההיגוי של החיפושית.

האם כדאי לייצר חיפושיות סייבורג?

השאלה, אם חרקים הנשלטים מרחוק יוכלו לשמש אותנו כרובוטים, עדיין פתוחה, אבל אנחנו מנחשים שכן. יש לשער שיופיעו בשוק מיקרו-בקרים ומכשירי רדיו קטנים וחסכוניים יותר ויותר. הדבר יאפשר לנו לפתח שליטה טובה ומדויקת יותר בחיפושיות סייבורג. כל זמן שקשה לפתח מקורות אנרגיה זעירים שאוצרים כמות אדירה של אנרגיה, וכל זמן שקשה להנדס כנפיים מכניות חסכוניות, החיפושיות שלנו, עם שריריהן היעילים להפליא, יזכו ליתרון ברור על פני המעופפים המלאכותיים לגמרי.