Een kakkerlak dringt het puin binnen met een camera op zijn rug. Een ander volgt met een kleine injectiespuit. Als de eerste een beknelde persoon vindt, wordt de tweede zo dichtbij geleid dat hij een medicijn kan toedienen. Het lijkt op de gezondheidsafdeling van een sciencefictionfilm met een bijzonder creatief budget, maar in plaats daarvan is het een experiment dat in Australië wordt uitgevoerd. Ze noemden ze Paraborgs: paramedische cyborgkakkerlakken die zijn ontworpen om daar te komen waar artsen en reddingswerkers, althans in de eerste minuten na een instorting, eenvoudigweg niet doorheen kunnen komen.
Het systeem is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Queensland samen met biomedische ingenieurs van de Universiteit van New South Wales (UNSW) en wordt beschreven in een studie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap. De gebruikte dieren zijn Macropanesthia neushoornde gigantische gravende kakkerlakken van Queensland: de exemplaren in het onderzoek waren ongeveer 8,4-8,7 centimeter groot en wogen tussen de 34 en 40 gram. Een formaat dat voor een keer best handig is.
©De Universiteit van Queensland
De een zoekt de gewonde, de ander brengt de injectie
Het idee komt voort uit een zeer concreet probleem van zoek- en reddingsoperaties. Na aardbevingen en instortingen kan een persoon in leven blijven onder meters puin, terwijl directe toegang tijd kost. De kleine kunstmatige robots moeten een chassis, actuatoren, sensoren en een stroombron met zich meedragen, terwijl ze voldoende wendbaarheid behouden om door smalle doorgangen en oneffen oppervlakken te kunnen rijden. Bij dat formaat is het nog steeds ingewikkeld om alles in elkaar te laten passen.
De kakkerlak weet al hoe hij een groot deel van dit werk moet doen. Hij loopt, reageert op obstakels, beschikt over biologische sensoren en past zijn beweging aan het terrein aan. De onderzoekers profiteren vervolgens van het lichaam van het insect als platform en voegen elektronica, afstandsbediening en instrumenten toe. Het is ook een van de meest interessante aspecten van deze technologie in termen van hulpbronnen: volgens de auteurs kunnen biohybride robots de energiebehoefte en productiekosten verlagen in vergelijking met volledig kunstmatige microrobots, omdat voortbeweging, structuur en een deel van de sensorische vermogens al door het dier worden geleverd. Voor de stimulatie die nodig is om alleen de Paraborg te oriënteren, hebben we het over vermogens in de orde van microwatt.
Dit is echter niet genoeg om een cyborgkakkerlak automatisch om te zetten in ‘groene’ technologie. Het onderzoek meet in de eerste plaats de werking, het verbruik en de prestaties van het systeem, en niet de algehele ecologische voetafdruk. Lithiumbatterijen, circuits, plastic componenten, duurzaamheid en de mogelijkheid om elektronica terug te winnen en te hergebruiken blijven onderdeel van de rekening. Het interessante voordeel is voorlopig preciezer: het vermijden van het kunstmatig reconstrueren van wat miljoenen jaren van evolutie al op de poten van het insect hebben gelegd.
In het prototype is het werk feitelijk verdeeld. Een kakkerlak fungeert als ‘waarnemer’ en heeft een kleine Wi-Fi-camera bij zich die in realtime beelden verzendt. Een tweede heeft het automatische injectiesysteem, AIM genaamd. Alles op hetzelfde dier laden zou het gewicht, het volume en het energieverbruik verhogen, terwijl ook de draadloze werkingstijd zou worden verkort: vandaar het idee om taken over meerdere individuen te verdelen.
De insecten worden op afstand bestuurd door middel van lichte elektrische stimulaties die worden toegepast op de antennes en cerci, de achterste sensorische aanhangsels. Door het stimuleren van een antenne kan een afwijking in de tegenovergestelde richting worden geïnduceerd, terwijl ingrijpen op de cerci wordt gebruikt om de voorwaartse beweging te wijzigen. In het experiment leidden de operators hen handmatig door een pad naar het doel. Het resultaat heeft iets surrealistisch: het dier blijft met zijn eigen pootjes lopen, terwijl iemand op de controller suggereert waar hij heen moet.
De test werkte, maar niemand is nog genezen van een kakkerlak
Hier kun je sciencefiction het beste even onder het puin laten liggen en kijken naar wat er daadwerkelijk bewezen is. Bij het onderzoek werden vijf kakkerlakken gebruikt, die elk vijf proeven ondernamen. Iedereen slaagde erin om tijdens de navigatie de verwachte punten te bereiken; de hele reeks, van het routeren tot het toedienen van de vloeistof op een siliconen doelwit, was 72 procent van de tijd succesvol, 18 van de 25. Wanneer het apparaat binnen 15 centimeter van het doelwit werd gebruikt, was het slagingspercentage tot ongeveer 95 procent.
De kleine injector werd ook afzonderlijk getest op ex vivo varkenshuid. In tien tests waren de penetratie en toediening in 90% van de gevallen succesvol, waarbij een diepte van ongeveer 5,5 millimeter werd bereikt. De experimenten zijn dus niet uitgevoerd op gewonden en tonen nog niet aan dat het apparaat een veilige en effectieve injectie kan geven aan een mens die vastzit onder een gebouw.
De auteurs zelf hebben een vrij duidelijke grens gesteld. De krachten die met het huidige systeem worden gemeten, kunnen groter zijn dan de krachten die normaal gesproken worden gebruikt om kleine naalden in de menselijke huid te steken en de resultaten die met siliconen worden verkregen, kunnen niet worden gelezen als een demonstratie van klinische veiligheid. Tot de oplossingen die voor latere ontwikkelingen worden voorgesteld behoren pleisters met micronaalden, die de toediening beter controleerbaar en minder invasief zouden kunnen maken. Voordat we tot echte noodsituaties komen, zullen daarom nieuwe apparaten, controles op veel ingewikkelder terrein en echte medische validatie nodig zijn.
Waarom überhaupt kakkerlakken sturen?
De gekozen soort helpt veel. Macropanesthia neushoorn is groot genoeg om apparatuur van centimeters te vervoeren: in de configuratie met het injectiesysteem voegde de apparatuur ongeveer 17 gram toe en 15 millimeter in hoogte zonder significante verschillen te veroorzaken in de voortbeweging die tijdens de tests werd waargenomen. De cameraconfiguratie voegde in plaats daarvan ongeveer 26 gram toe. Dit verklaart ook waarom onderzoekers zich richten op een team van gespecialiseerde insecten in plaats van op de medische Rambo van kakkerlakken met alle instrumenten op hun rug.
Dan is er de kwestie van de gebruikte dieren. Volgens de Universiteit van Queensland worden kakkerlakken verdoofd tijdens de installatie van de elektroden en microchips; zodra de experimenten zijn voltooid, worden apparaten en steunen verwijderd. Het team meldt dat de insecten, nadat de harnassen zijn verwijderd, net zo lang leven als andere exemplaren die in de kolonies zijn grootgebracht. Het onderzoek wijst er echter ook op dat de ethische richtlijnen voor onderzoek naar ongewervelde dieren nog niet zo gestandaardiseerd zijn als de richtlijnen die voor veel gewervelde dieren gelden.
Het is een detail dat allesbehalve zijdelings is als het toekomstige doel is om van vijf dieren in het laboratorium naar echte zwermen Paraborgs te gaan. Het project stelt zich insecten voor met verschillende rollen: sommige kunnen camera’s en omgevingssensoren dragen, andere medische apparatuur. De menselijke hulpverlener zou binnen het proces blijven, zowel om de operaties te begeleiden als om beslissingen in de gezondheidszorg te nemen. Kortom geen autonome zespotige ambulance.
In een sector waar elke gram batterij, materiaal en motor die wordt toegevoegd de beschikbare ruimte beperkt, volgen deze biohybride systemen daarom een nogal radicaal pad: in plaats van een machine te bouwen die een insect kan imiteren, maken ze direct gebruik van de mogelijkheden van het insect en bouwen ze er alleen het noodzakelijke technologische onderdeel omheen. Vanuit energieoogpunt is dit een reëel voordeel, zoals de onderzoekers zelf aangeven; vanuit een algemeen milieuoogpunt moet de vergelijking met traditionele microrobots nog worden gemaakt. En dan blijft er natuurlijk nog de ethische vraag bestaan over het transformeren van levende organismen in onderdelen van een reddingsmachine.
Er is nog een lange weg tussen het laboratorium en een echte puinberg
De meest prozaïsche moeilijkheden beginnen zodra de nette muren van het laboratorium verdwijnen. Beton en grond kunnen het Bluetooth-signaal ernstig verzwakken; puin en obstakels onderbreken de videoverbinding; grind, zand en onstabiele oppervlakken kunnen het vermogen van het dier om het doel te bereiken volledig veranderen. Ook de hoeveelheid medicijn die getransporteerd kan worden is beperkt: het huidige apparaat maakt gebruik van een reservoir van 0,5 milliliter.
Thang Vo-Doan, een biorobotica-ingenieur aan de Universiteit van Queensland, stelt zich voor dat teams van cyborginsecten binnen vijf tot tien jaar in echte noodsituaties kunnen arriveren, zolang het onderzoek en de praktijktests snel genoeg verlopen. Dit is de voorspelling van een onderzoeker, geen ingebruiknamedatum.
Voorlopig weten de Paraborgs hoe ze een pad moeten kruisen, een doelwit moeten vinden en onder menselijke controle een kleine dosis vloeistof moeten afleveren. Tussen dit laboratorium en een persoon die onder het puin ligt, zit nog veel werk. Maar als op een dag, na een aardbeving, iets met zes poten en een injectiespuit onder een betonnen plaat nadert, zou dit een van de zeldzame gevallen kunnen zijn waarin het zien van een kakkerlak heel goed nieuws zal zijn.
