19 июля 2019, пятница, 10:57
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

17 июля 2016, 20:58

Прозрачные скаты-роботы

Робот-скат
Робот-скат
Karaghen Hudson and Michael Rosnach/Science

На обложке недавнего номера журнала Science было изображено странное полупрозрачное существо, напоминающее миниатюрную рыбу ската. Фотографию сопровождала подпись ray of light, что можно перевести и как «луч света», и как «световой скат». Так миру сообщили о созданном ученые устройстве (или уже правильнее будет сказать существе?) из мышечных клеток на силиконовом основании. Оно способно плавать, как настоящий маленький скат, а управляется лучами света.

Во время демонстрации в Гарвардском университете скаты-роботы длиной шестнадцать миллиметров плавали в резервуаре с водой со скоростью 3,2 миллиметра в секунду. По словам профессора биоинженерии Кевина Кита Паркера (Kevin Kit Parker), возглавлявшего создателей киберскатов, они стали лишь тренировочным упражнением перед разработкой других «биогибридных роботов». А дальняя цель ученых – научиться делать из мышечных клеток и силикона человеческое сердце.

Коллеги Паркера признаются, что когда тот рассказал им о планах «разобрать крысу, собрать из нее ската, да еще обеспечить ему лазерное наведение», их охватили «ужас и печаль». Хотя у Паркера и его коллег уже был опыт по разработке подобного существа, пусть и попроще ската-робота. В 2012 году они совместно с учеными из Калифорнийского технологического института из силикона и живых клеток сердечной мышцы собрали медузоида – свободно плавающий аналог медузы.

Тогда Паркер размышлял над созданием биоинженерных мышц и органов, способных к самостоятельному движению. Однажды, зайдя в Аквариум Новой Англии (New England Aquarium), он обратил внимание на плававших там медуз и сразу отметил сходство и различие между ними и работой клапанов человеческого сердца. Паркер решил, что разработка «медузы» станет хорошим первым этапом в имитации сердечного насоса человека.

Проект был начат в 2007 году. Тогда ученые использовали методы кристаллографии и биометрии, чтобы создать точную карту внутриклеточных белковых сетей внутри всех мышечных клеток купола медузы. Затем они исследовали распространение электрофизиологического импульса в ее клетках, а также биомеханику движений.

 

Медуза-прототип и искусственный медузоид

В качестве двигателя для медузоида выступили кардиомиоциты крыс, которые активировались электричеством. Телом медузоида стал силиконовый полимер в виде купола с восемью придатками. Вся конструкция была помещена в контейнер с соленой океанской водой, и после стимуляции электротоком в ней начались синхронизированные мышечные сокращения, которые заставили медузоида плавать, подобно настоящей медузе.

 

Паркер тогда признавался, что был удивлен, насколько небольшое количество мышечных клеток понадобилось, чтобы достаточно точно воспроизвести движения медузы. Тогда он понял, что мышечные клетки становятся еще одним строительным материалом, подобно стали или бетону, и дело теперь за разработкой точных количественных спецификаций по постройке из них биогибридных органов. Ближайшим шагом, по замыслу Паркера, должна была стать разработка существ, которые могли не просто плавать, а двигаться в заданном направлении. Ими и стали скаты-роботы.

Идея выбрать форму ската пришла в голову Паркеру опять-таки во время посещения аквариума. Ученый с семилетней дочерью пришли в зал, где посетителям давалась возможность потрогать некоторых морских обитателей, плававших в неглубоких аквариумах. Девочка протянула руку, чтобы прикоснуться к маленькому скату, но тот ловко свернул в сторону. Внимание Паркера привлекла координация мышц ската. Он еще немного полюбовался изящными движениями этих рыб и понял, что его команде по силам их воссоздать.

Скат-робот в десять раз меньше своего живого прототипа. Его вес всего 10 граммов. Телом его служит силиконовый полимер, скелет состоит из тонких прожилок золота, а мышцами стали 200 000 крысиных кардиомиоцитов.

Предварительно команде ученых пришлось вывести генетически модифицированную линию лабораторных крыс, клетки миокарда которых возбуждались под действием синего света. Затем у двухдневных эмбрионов таких крыс были взяты кардиомиоциты для использования в роботах-скатах. Исследователям пришлось провести довольно много времени за изучением тонкостей анатомии и физиологии нервной системы скатов и их мышц. В силиконовом теле робота был сделан шаблон, состоящий из внеклеточного белка фибронектина, который направлял рост клеток по схеме, похожий на мышцы настоящего ската. Скат плавает в физиологическом растворе, подогретом до температуры тела крысы.

 

 

Есть одно принципиальное отличие робота от живого ската. У рыбы плавники движутся и вверх, и вниз под действием мышц, тогда как у робота мышечные клетки только опускают плавник, а подъем происходит благодаря упругости тонких золотых проволочек. Импульсы лазера синего цвета позволяют заставлять робота-ската двигаться, менять скорость и поворачивать, огибая препятствия. Это было непростой задачей. Было предпринято целых двести попыток, только чтобы заставить ската двигаться прямо после световой вспышки. Зато теперь у Паркера есть 100 скатов-роботов, способных под управлением двух лазерных источников света плыть по сложным траекториям, избегая препятствий. Хотя маневренность роботов все-таки ниже, чем у живых скатов, на данном этапе ученые довольны таким результатом.

Другие ученые высоко оценили работу Паркера. Специалист по нейроинженерии Сюй Кеди из Университета Чжэцзян в Ханчжоу говорит: «Можно представить себе, что в один прекрасный день мы сможем использовать эту технологию для восстановления частей человеческого тела». «Сердце представляет собой полую мышцу, – комментирует перспективы исследования Симон Хёрструп (Simon Hoerstrup), сердечно-сосудистый хирург из Института регенеративной медицины Цюрихского университета. – Многие из функций, которые вы видите в этом скате, вы можете найти и в сердце».

Статья Паркера и его коллег о работе над роботами-скатами опубликована в том самом номере журнала Science, обложку которого украсил один из них.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.