Ученые из Гарварда, Стэнфорда и Университета Соган (Южная Корея) создали ската-биоробота, каждый плавник которого приводится в движение независимым лучом света в теплом царстве питательной среды (см. видео) [1], [2]. Гибридное создание пока в 10 раз меньше оригинала, но умеет следовать за специальной световой указкой не хуже вашего кота, обходя препятствия и изгибая крылья-плавники почти как настоящий, живой скат — несмотря на то, что зорко у него одно лишь сердце (зорко — буквально, но не более, чем хламидомонада).

Из самого сердца...

...крыс были получены клетки, которые змееобразно выложили на силиконовой подложке (рис. 1). 200 000 кардиомиоцитов взяли у двухдневных крысиных эмбрионов и с помощью белкового покрытия ориентировали в нужном направлении, чтобы импульс проходил по ним вдоль «змеек» — от переднего к заднему концу каждого плавника биоробота.

Вместо хряща у миникиборга золотой скелет. В отличие от живых скатов, плавники которых имеют два слоя мышц, позволяющие поднимать и опускать каждый плавник, маленький биоробот снабжен только слоем, тянущим вниз, а выпрямление эластичного золотого каркаса позволяет плавнику изгибаться в обратную сторону. Повышенная гибкость плавников по сравнению с «телом» достигается за счет тонких краев.

По сравнению с предыдущим созданием ученых, силиконовым медузоидом [3], похожим на прозрачный нежный цветок с восемью лепестками, движения ската гораздо меньше напоминают сокращения сердца. И плавала изящная робомедуза только в электрическом поле, направить же движение своенравной красавицы по своему желанию и тем более научить обходить препятствия ученые даже не пытались.

С точки зрения хламидомонады

Шестнадцатимиллиметровые скаты оказались куда способнее своей предшественницы. В отличие от обычных роботов, они не нуждаются ни в проводах, ни в батарейках. Синие лампочки — единственный маяк, на который они ориентируются и которым приводятся в движение (правда, скорость их невелика — 1,5 см в секунду). Заставить свет так волновать крысиные сердца (точнее, их клетки) помогло нестандартное применение передовой технологии — оптогенетики (см. врезку).

Кит Паркер и его коллеги в своей работе использовали каналородопсин-2, в природе помогающий плыть на свет одноклеточной водоросли — хламидомонаде Рейнгарда.

Чтобы управлять таким скатом, нужен двойной источник света (каждая лампочка — на своих частотах). Когда лампочки вспыхивают, клетки сокращаются по очереди, изгибая каждый плавник, и робот начинает движение. Для поворотов на один плавник нужно светить ярче или же быстрее мигающим светом.

Достижения скатоводства

Оценивая свои результаты, ученые даже сравнили кинематику и гидродинамику биоробота и живого ската, показав, что асимметричный золотой скелет с отростками компенсирует отсутствие второго мышечного слоя, а выбранная ими в окончательном варианте толщина плавников оптимальна и приближает его характеристики к природным аналогам. Правда, двигаться без помех он может лишь в упорядоченном потоке жидкости, да и то — в среде с добавлением питательных веществ и при температуре крысиного тела (38,5–39,5 °C).

Последним испытанием скатов-киборгов стал заплыв с препятствиями (рис. 2). По результатам выяснилось, что скорость малютки на протяжении шести дней не опускалась ниже 80% от нормальной.

Но не является ли этот полуторасантиметровый генетический франкенштейн, напоминающий, по словам самих создателей, «прозрачную монетку с хвостиком» [6], лишь дорогостоящей игрушкой скучающих биоинженеров? К чему все эти скрупулезные выверения параметров, если созданное нельзя однозначно назвать ни живым, ни мертвым, ни скатом, ни роботом, ни даже хламидомонадой?

Копировать волнообразные движения скатов в воде имеет смысл хотя бы из-за энергоэффективности. Эта же причина, а также отсутствие контактных проводов и источников питания делает подобный механизм удобным, малозатратным в работе и бесшумным. По предположению ученых, технология может помочь в создании деликатных биороботов для изучения океана, не вмешивающихся в жизнь его обитателей (рис. 3). А в дальнейшем подобные технологии можно разработать и для исследований суши и даже для решения транспортных задач.

Переходное звено

При всех своих возможностях и перспективах применения мечтать об электрокрысах скаты-киборги, конечно, не могут. Мечтают их создатели — об электросердцах. Точнее, искусственно выращенных [7] или видоизмененных оптогенетическими методами сердцах или их участках, сокращения которых можно запускать и регулировать без хирургического и электрического вмешательств, с помощью точного и безопасного светового воздействия.

Сам по себе маленький скат-киборг не принесет много пользы, однако он является «переходным звеном» между механическими и живыми существами и новой ступенькой к искусственному мышлению, ведь это создание при всей своей простоте обрабатывает различные сигналы и отвечает на них сложным поведением.

По словам Кита Паркера, творение его команды сродни произведению искусства, и смотреть на него можно по-разному [6]. Ихтиологи благодаря ему лучше поймут, как двигается скат и почему он так устроен, кардиологи — как создать искусственное сердце, а инженеры увидят, что живые клетки — перспективный строительный материал для роботов будущего — будущего, которое уже стучится в наши двери.

Литература

1. Pennisi E. (2016). Robotic stingray powered by light-activated muscle cells. Science News;
2. Park S.J., Gazzola M., Park K.S., Park S., Di Santo V., Blevins E.L. et al. (2016). Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353, 158–162;
3. Сердце как медуза: плавучий «франкенштейн». (2016). Популярная механика;
4. Светлая голова;
5. Как спасти Тринадцатую? (Перспективы лечения болезни Хантингтона);
6. McDonald C. (2016). A bio-hybrid stingray robot powered by rat muscle. Popular Science;
7. Киборги среди нас;
8. Cross R. (2016). Robotic stingrays made with rat heart, algae, and plastic fins. MIT Technology Review;
9. Steele C. (2016). Cover stories: Making the robotic ray cover. Science. 353, 97;
10. Панчин А. Сумма биотехнологии. М.: Corpus, 2015. — 432 с.