Исследователи из Университета Цукуба в Японии испытали на практике метод управления музыкальными шкалами стрекотания цикад с помощью электрической мышечной стимуляции (ЭМС). Был создан гибридный биоэлектронный динамик, в котором используются живые цикады, управляемые с помощью подачи низковольтного тока, способного стимулировать воспроизведение звуков разной частоты.
Ученые уже давно предлагают использовать встроенные в насекомых датчики для навигации в ограниченных или нестабильных средах. Жук-робот, ищущий выживших в узких пространствах разрушенного здания, киборги-пчелы, отслеживающие качество воздуха и характер опыления, высокотехнологичные термиты, проверяющие почву на наличие химических загрязнителей. Развертывание систем наблюдения предполагает использование насекомых, которые переносят аудио- или визуальные датчики в ограниченные зоны. Коммуникация остается наименее изученной возможностью применения биороботов-насекомых, поскольку пока было не до конца ясно, могут ли сами насекомые выступать в качестве генераторов сигналов, несущих значимую для человека информацию.
В исследовании, опубликованном в качестве препринта на arXiv 23 апреля 2025 года, авторы разработали экспериментальный интерфейс для управления высотой стрекота насекомых с помощью электронной мышечной стимуляции
Цикады вида Graptopsaltria nigrofuscata были пойманы в Цукубе, Япония. Из них были отобраны семь самцов — ученых интересовали крупные размеры тела и отсутствие «лишних» мышц или внутренних органов в области тимпана, которые есть у самок. К тому же в природе стрекочут в ходе брачных игр именно самцы. Электроды, стимулирующие тимбические мышцы, были введены в брюшко каждого кузнечика через спину. Эти мышцы отвечают за генерацию характерных стрекочущих звуков за счет вибрации особых пластин в брюшной полости.
Каждый электрод был подключен к цепи, которая подавала электрические сигналы в диапазоне от ноты ля нулевой октавы до ноты до четвертой октавы (от 27,5 Гц до 261,6 Гц). Микрофон SONY ECM-CG601, расположенный на расстоянии одного сантиметра от «исполнителя», записывал звук, возникающий во время стимуляции. Крылья зафиксировали на месте, чтобы обеспечить постоянное расстояние до микрофона для качественной записи. Напряжение постепенно увеличивалось с 0 В до 1 В на каждой ноте, пока не начиналось или не прекращалось стрекотание. Этот процесс повторили для всех семи насекомых на каждой входной частоте.
Воспроизведение музыкальных фраз, в том числе канона Пахельбеля, провели для оценки воспроизведения цикадами структурированных музыкальных гамм. Диапазон воспроизведения у разных особей был разным. Например, только одна цикада воспроизвела звук на ноте ля второй октавы, а двум удалось воспроизвести ноту до третьей октавы.
Звуки, генерируемые с помощью электрической стимуляции, разделили на четыре типа сигналов: правильная частотная волна (ПЧВ), полуволна (ПВ), двойная частотная волна (ДЧВ) и нерегулярная частотная волна (НРЧВ). ПЧВ наиболее стабильно генерировались во всех протестированных интервалах высоты тона в диапазоне напряжения от ля нулевой до фа третьей октавы. По мере увеличения напряжения наблюдали последовательные паттерны сигналов: сначала ПВ, затем ПЧВ и, наконец, ДЧВ. При низких интервалах высоты тона ПВ не генерировались, а ДЧВ отсутствовали при более высоких интервалах. Максимальная средняя частота, достигнутая для всех образцов, соответствовала ноте си третьей октавы.
Цикады, подвергнутые контролируемой электрической стимуляции мышц, продемонстрировали свой потенциал в качестве биологических звуковых устройств с низким энергопотреблением. Это позволяет предположить, что гибридные системы «насекомое-компьютер» могут использоваться в сценариях экстренной связи, особенно в условиях, когда обычное аудиооборудование или иную робототехнику использовать невозможно. Правда, для практического применения электронного хора кузнечиков-киборгов его надо иметь под рукой в «снаряженном» состоянии. При наступлении критической ситуации ловить насекомых, вживлять в них электроды и подключать к управляющему электронному устройству будет явно некогда.
Недавно мы рассказали, как на инвазивные папоротники натравили голодных жуков-долгоносиков, и что из этого вышло.