Гибридный динамик на основе цикад: управление стрекотом с помощью электрической стимуляции мышц

Исследователи из Университета Цукубы (Япония) разработали метод управления звуковым диапазоном стрекота цикад с помощью электрической стимуляции мышц (EMS). Они создали гибридный биолого-электронный динамик, используя живых цикад, управляемых точным напряжением и способных воспроизводить звук с различной частотой.

Контекст и цель исследования

Системы «насекомое-компьютер» привлекают внимание благодаря своей мобильности, долговечности и энергоэффективности. Биороботы-насекомые (киборги-насекомые) рассматриваются для применения в различных областях — от ликвидации последствий стихийных бедствий до сельского хозяйства и наблюдения. Однако функция коммуникации остаётся менее изученной.

В исследовании, опубликованном в виде препринта на arXiv 23 апреля 2025 года, учёные поставили задачу выяснить, можно ли управлять высотой звука насекомых с помощью EMS.

Методология эксперимента

  • В эксперименте использовали семь цикад вида Graptopsaltria nigrofuscata (самцов из-за их относительно крупного размера).
  • Электроды вводили в брюшко каждой цикады для стимуляции тимбальных мышц, отвечающих за стрекот.
  • Электроды подключали к цепи, подающей прямоугольные электрические сигналы в диапазоне частот от A0 до C4 (27.500 Гц до 261.626 Гц).
  • Звук записывали микрофоном (SONY ECM-CG601) с расстояния 1 см.
  • Напряжение плавно увеличивали от 0В до 1В для каждой частоты, пока не инициировалось или не прекращалось стрекотание.

Результаты

  • Цикады смогли воспроизводить структурированные музыкальные фразы (например, «Канон» Пахельбеля), хотя рабочий диапазон варьировался у разных особей. Например, только одна цикада издавала звук на тоне A2, а две справились с C#3.
  • Звуковые волны, генерируемые при стимуляции, были классифицированы на четыре типа:
    1. CFW (Correct Frequency Wave) — волна правильной частоты (наиболее стабильно воспроизводилась в тестируемом диапазоне).
    2. HFW (Half Frequency Wave) — волна половинной частоты.
    3. DFW (Double Frequency Wave) — волна двойной частоты.
    4. IFW (Irregular Frequency Wave) — волна нерегулярной частоты.
  • При увеличении напряжения наблюдалась последовательная смена паттернов: сначала HFW, затем CFW и, наконец, DFW.
  • Максимальная средняя частота, достигнутая у всех особей, соответствовала тону C#3.

Выводы и потенциал

Эксперимент показал, что цикады под контролируемой EMS могут выступать в роли низкоэнергетических биологических звуковых устройств. Эта способность указывает на потенциальную роль гибридных систем «насекомое-компьютер» в сценариях экстренной связи, особенно в условиях, где традиционное аудиооборудование или робототехника ограничены энергопотреблением или труднодоступностью местности.