חיפושיות סייבורג

 

חיפושיות סייבורג

רובוטים מעופפים וזעירים, חצי מכונה וחצי חרק, אולי יצילו יום אחד חיי אדם בעת מלחמה ואסון
 

 
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.
  
 
לא רצינו התנסות דומה לזו שידענו עם הזופובאס, לכן חיפשנו חיפושית שמרבה לעוף, וחיפושיות קוטיניס ידועות הן בכישורי הטיסה והן בנזקים שהן גורמות למגדלי הפירות. למעשה, במשך שנתיים אספנו אלפי חיפושיות מחקלאים שהתקשו להאמין שאנחנו באים ופוטרים אותם מן המזיקים האלה, ועוד משלמים חמישה דולרים לחיפושית.
 
 
בניסויים הראשונים האלה בזופובאס ובקוטיניס, למדנו איך בדיוק לאחוז בחיפושיות בלי לפגוע בהן, והיכן להדביק את חוטי-המיקרו בגבן, על יד שרירי הכנף, ובבסיס הראש (השתמשנו בדונג). תכננו ובנינו במיוחד מעגלים מודפסים קטנטנים שיכולים לקלוט הנחיות ברדיו ולספק את האותות החשמליים שאותם ניסינו. (דוגמאות לחיפושיות המצוידות בגרסה ישנה ובגרסה החדשה ביותר, נכון לאפריל 2010, של הטכנולוגיה שלנו, מוצגות בתיבה שבעמוד הקודם.) היום המערכת הבסיסית מורכבת מן הרכיבים האלה: בקר זעיר עם רדיו מובנה (לקבלת פקודות), סוללה (לאספקת מכות החשמל), וכמה תילי כסף דקים (שקוטרם 125 מיקרון) המושתלים במוח החרק ובשרירי התעופה שלו.
 
 
מאחר שהחיפושיות הטקסניות יכולות לשאת 200 עד 450 מיליגרם לכל היותר, המערכת הראשונית לא כללה רדיו. כדי לבדוק את השליטה, הזנו את הנחיות הטיסה לבקר מראש, ואז צפינו בחיפושית כשהיא במעוף חופשי, כשהיא קשורה בחוט או מרחפת בתוך מתקן המכונה גימבל: כעין חצובה המורכבת משתי טבעות בעלות צירי סיבוב מאונכים, כך שהעצם התלוי בתוכה תמיד נשאר באותו מקום גם אם הטבעות נעות.
 
 
משתמשים בגימבלים לייצוב ג'ירוסקופים, מצפנים על ספינות וכדומה – ובאופן דומה, כשמניחים חיפושית בתוכו היא יכולה לעוף אך להישאר במקום, ואפשר לצפות בה בנוחות.
 
 
חודשיים עברו עד הניסוי המוצלח הראשון עם הקוטיניס. אחרי כמה ניסיונות גילינו מקבץ גדול יחסית של תאי עצב שגירוי חשמלי שלהם יכול ליצור אפנוני מעוף שאפשר לחזות אותם מראש ואפשר לחזור עליהם בניסוי. מצאנו שגירויו של אזור במוח החרק, בדיוק בין האונה האופטית השמאלית לאונה האופטית הימנית, באמצעות דפקים חשמליים מהירים (של עשר אלפיות השנייה בערך, כלומר בקצב של 100 הרץ) גורם לחרק להתחיל לחבוט בכנפיו ולהיכנס לתנוחת תעופה נכונה כמעט בכל פעם (ב-97% מן המקרים ליתר דיוק). והתרגשנו גם לגלות שחשיפת אותו אזור לדופק אחד ארוך יותר מפסיקה את תנודת הכנפיים לגמרי.
 
 
כלומר, מצאנו דרך להדליק ולכבות את החרק; דופק אחד להתחלת תנועת הכנפיים ודופק אחר להפסקתה.
 
 
אנחנו סבורים שהדופק הארוך בעצם מעמיס על תאי העצב שבבסיס האונה האופטית מעמסה גדולה מדי שמונעת את התקדמות האותות החשמליים. פעולה זו משבשת את האות המחולל שגורם לכנפיים להמשיך לרטוט (למטה תוכלו למצוא קישורים לסרטונים הקשורים בהתנהגות זו ובהתנהגויות אחרות.) כששיגרנו את הדפקים החשמליים שלנו הם עבדו, שוב ושוב, בלי כל תלות במעשי החרק.
 
אם התהלכה החיפושית על השולחן בשעה שהתחלנו לשדר את הדפקים של 10 אלפיות השנייה, כנפיה התחילו לרפרף והיא המריאה. אם השכבנו אותה על גבה ושלחנו דופק, היא רפרפה בשכיבה על הגב. כשהיא כבר הייתה באוויר וקיבלה עוד דופק, חדלו הכנפיים מן הרפרוף והחיפושית נפלה והתחילה לזחול.
 
 
לא נראה שגרמנו להן נזק, אפילו כשהן נפלו לרצפה. תוחלת החיים של החיפושיות בעלות השתלים לא נפלה משל האחרות (כמה חודשים). הן התעופפו, אכלו והזדווגו בדיוק כמו החיפושיות ללא השתלים. כמו כן גילינו שאם משדרים את אותות ה"הדלקה" וה"כיבוי" שוב ושוב ברצף מהיר בשעה שהחיפושית באוויר, אפשר לכוונן את תנודות הכנפיים.
 
 
כלומר, ברגע שהחרק היה באוויר, אם שידרנו לו פקודות "התחל" ו"הפסק" בזו אחר זו במהירות, תנודת הכנפיים לא חדלה, אלא רק התמתנה מעט. התוצאה הייתה שינוי כוח הדחף המניע את החיפושית ואפשרות לשלוט באופן מהימן בכוח שמשמש אותן לצורך המעוף, כמו מצערת במטוס.
 
 
כדי לגרום לחיפושיות לבצע פניות, שתלנו מיקרו-חוטים בשריר הבסיסי הימני והשמאלי. אם קיבל הצד הימני דפקים של 10 אלפיות השנייה, החרק היה מרפרף חזק יותר בצד ימין, והוא פנה שמאלה. כעבור זמן, התחלנו להשתמש בחיפושיות מן המין Mecynorrhina torquata, השוקלות 8 גרמים וכוחן יפה לנשיאת מכשיר הרדיו והמתקנים השונים שפיתחנו.
 
 
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.
 
 
החומרה כבר פועלת די יפה, אבל אנחנו זקוקים לעזרה בעניין קוד המחשב ששולט בחיפושיות שלנו. פנינו לכמה מעמיתינו המנוסים מאתנו, עמיתים שכתבו תוכנות לשליטה במעופפים מלאכותיים לגמרי. על בסיס עבודה קודמת במסוקים עצמאיים, מפתחים פייטר אביל מאוניברסיטת קליפורניה שבברקלי ותלמידיו סבטוסלב קולב ונימבוס גויהאוזן מערכת בקרה לשליטה בחרקים. המערכת מפרקת פקודות מורכבות (כמו: "שנה את כיוון הטיסה ב-20 מעלות") לרכיבים פשוטים יותר (כמו: "שדר דפקים של 10 אלפיות שנייה לשריר הבסיסי השמאלי במשך כך וכך שניות").
 
 
כך יצטרך המשתמש רק להזין כמה תיקונים למסלול, והבקר הזעיר יטפל בגירוי המסוים הנחוץ לניתוב החיפושית בכיוון הרצוי. כדי לברר מהי סדרת הגירויים המתאימה לכל הנחיית טיסה, אנחנו ממפים את התצורה התלת-ממדית ואת התפקוד של כמה מן השרירים האחרים המופקדים על היגוי הכנף. אנחנו נעזרים לשם כך בסריקות MRI, התעמקות באנטומיה של החיפושית, והקלטות בצילום מהיר של חיפושיות מעופפות. על פי הנתונים האלה, אנחנו מתמקדים היום בשרירים אחרים, שהשליטה בהם תאפשר לנו לשלוט, באופן בלתי תלוי, בגלגול ובסבסוב של חיפושית במעוף חופשי.
 
 
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.
 
 
מכל ההשלכות שאולי יהיו לעבודתנו, זו העמוקה ביותר לדעתנו: ככל שטכנולוגיות המחשוב שלנו תמוזער והידע שלנו על המערכות הביולוגיות יגדל, נתפתה יותר ויותר לשלב ממשקים ולולאות בקרה מלאכותיים במערכות ביולוגיות קיימות. אם נחקור את הנושא לפרטיו בחרקים תחילה, יקל עלינו להימנע מטעויות והתחלות כושלות בבעלי חיים מפותחים יותר, כגון חולדות, עכברים ובסופו של דבר, בני אדם.
 
 
העבודה עם חרקים מאפשרת לנו לדחות את העיסוק בסוגיות אתיות מהותיות יותר בדבר רצון חופשי, בין השאר – שאלות שהיו מטרידות יותר אילו עבדנו עם חולייתנים. פיתוח חיפושיות סייבורג לא יחליף את השאיפה הבסיסית לבנות רובוטים מלאכותיים (הואיל ובני אדם בונים הרבה פעמים מכונות טובות יותר משבונה הטבע), אבל מדע המיזוג המושלם של האורגני עם הסינתטי רק בתחילת דרכו.