https://biomolecula.ru/notices/kraudfanding-na-kalendar
Подписаться
Оглавление

Мечтают ли батоиды об электрокрысах?

  • 313
  • 0,7
  • 0
  • 0
Добавить в избранное
Новость

Кит Паркер, руководитель попавшего на страницы Science биобот-проекта [2], с дочерью в океанариуме: на их ладонях искусственный скат и его природный прототип. Именно дочь натолкнула ученого на интересные идеи [1]. Паркер называет своего робота «биологической жизненной формой», хоть и признается, что организмом его считать нельзя: скат не размножается и не поддерживает обмен веществ с окружающей средой. «Мы превратили крысу в робота-ската, управляемого светом. Это самая крутая штука, которую ваши читатели увидят в этом году», — рассказывает он в интервью Popular Science.

Современные биороботы создаются по образу и подобию — нет, не своих творцов-изобретателей, а животных. Вдохновившись природным «дизайном», ученые разрабатывают причудливые механизмы, копирующие походку гепарда или саламандры, движения змей и медуз. Недавно в Science вышла статья о мягком киборге — копии ската (надотряд Batoidea). Что за этим стоит — игры разума, праздно блуждающего в дебрях фундаментальной науки, или технологический прорыв будущего?

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).

Видео. Управляемые светом клетки сердечной мышцы обеспечивают плавание искусственного животного

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.

Строение искусственного ската

Рисунок 1. Особенности строения искусственного ската. а — Живой скат. б — Строение плавника живого ската. в — Четыре слоя тела искусственного ската: слой 1 — корпус из полидиметилсилоксана (силикона, применяемого в медицине, косметологии и даже пищевой промышленности); слой 2 — золотой скелет; слой 3 — снова тонкий слой полидиметилсилоксана, на котором расположены мышечные клетки (слой 4). г — Концепт. д — Обхождение препятствий в зависимости от интенсивности подаваемого сигнала.

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.

Передвижение ската

Рисунок 2. До выхода в открытое плавание еще далеко: скорость малютки — лишь девять метров в час.

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.

Глаз и скат

Рисунок 3. Глаз и скат. Сейчас мы наблюдаем за скатом, а потом он поможет нам наблюдать за другими организмами.

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.

Комментарии