Исследователи создают роботизированный скат с активированными живыми клетками
Исследователи из Института Wyss для биологически вдохновленной инженерии в Гарварде использовали живые клетки сердца крысы для управления роботизированным лучом.
Исследование, проведенное партией Сун-Цзинь и профессором Кевином Кит Паркер в Гарварде, привело к созданию роботизированного луча, который опирается на сокращение клеток крыс, чтобы скопировать волнообразное движение плавников ската. Робот - одна десятая, размер реального ската.
Слинги имеют очень стабильный и эффективный способ плавания. С волнистым движением ребер скаты производят бегущую волну от фронта к спине своего тела. Это приводит к силе, которая продвигает их вперед в воде. Из-за этого, скаты были также исследованы для разработки более эффективных подводных аппаратов несколько лет назад.
Роботизированный луч составляет почти одну десятую размера реальной рыбы. Изображение предоставлено MIT Technology Review
Структура роботизированного луча
Мышечный слой робота использует около 200 000 клеток крысы. Очевидно, что размещение ячеек в определенных устройствах может привести к более высокой скорости и эффективности. Ученые потратили много времени на то, чтобы разделить мускулы луча и проанализировать их, чтобы они могли успешно имитировать синхронизированные волнистости, которые продвигают животное вперед. После многочисленных испытаний они выбрали мышечную структуру, очень похожую на мышечную массу.
Тем не менее, существует большая разница между структурой робота и скатом. Робот включает только один слой клеток крысы, который может приводить к сокращению при сокращении. Чтобы произвести восходящий удар, исследователи построили многопрофильный золотой скелет, который мог бы действовать как весна. Этот золотой скелет, который напечатан на тонком полимерном теле, возвращает плавники в исходное состояние, когда мышца расслабляется.
Чтобы разработать простой метод контроля над клетками, исследовательская группа обратилась к оптогенетике, которая использует светочувствительные молекулы для инициирования сигнализации клеток. Генетически модифицируя клетки, исследователи Гарварда достигли клеток крысы, которые сократились при освещении синим светом. В результате световые импульсы могут использоваться для внешнего управления роботом.
Теперь, чтобы заставить робота управлять, исследователи должны были пульсировать свет быстрее с одной стороны, чем с другой. Это заставит мышцы одной стороны сжиматься и расслабляться быстрее и эффективнее, чем робот.
Он растет, питается и как-то становится старым
Поскольку робот полагается на живые клетки в качестве источника энергии, ему нужно некоторое время - около семи дней - расти!
Кроме того, живые клетки должны питаться. Клетки получают свою энергию из сахара, растворенного в воде. На самом деле, строго говоря, это не вода: это специальная питательная ванна под названием «Решение Tyrode». Раствор содержит все необходимые ингредиенты для подогрева клеток и должен быть теплым, чтобы клетки могли работать должным образом. Без этого решения, если вы поместите робота в воду, он не будет двигаться вообще, независимо от того, сколько светового импульса вы примените к нему.
Робот длиной 16, 3 мм и весом около 10 граммов может плавать со скоростью 3, 2 мм / с. Это недостаточно быстро, чтобы нарушить мировой рекорд плавания, но для такого маленького существа это неплохо. Как показано на следующем видео, исследователи применяли световые импульсы и успешно управляли роботом через курс длиной 250 мм.
После того, как робот полностью выращен, он может оставаться на уровне 80% от его эффективности в течение шести дней, при условии, что вы будете кормить клетки.
Предвестник: робот-медуза
Кевин Кит Паркер, профессор биоинженерии в Гарвардском университете, является одним из тех, кто отвечает за прогресс робота ската. Ранее, однако, Паркер построил роботизированную медузу, наложив клетки сердца на силиконовую чашку. Для Паркера ритмическая накачка медузы напомнила ему о сердцебиении. Он решил поместить клетки сердечной мышцы в лист кремния в форме мелкой чашки.
Применяя электричество, клетки сжимались, и, следовательно, чашка сжала внутрь. Таким образом, была создана движущая сила, которая могла бы продвигать робота вперед в ванне. Подобно проекту роботизированного луча, Паркеру пришлось погружать клетки в раствор соли-сахара, чтобы клетки могли выжить. По сравнению с роботизированной медузой, новый робот снесения имеет более высокую сложность.
Потенциальные применения роботизированного луча
Ученые все больше заинтересованы в искусственных существах, которые могут выполнять определенные задачи внутри человеческого тела. Для этого им необходимо разработать сенсорные ткани. Интересно, что робот Гарварда использует ячейки как датчики, так и исполнительные механизмы, и мы можем ожидать, что это восхитительное нововведение может проложить путь для многих амбициозных целей.
По словам Паркера, исследование не только открывает путь для создания более совершенных биогибридных роботов, но также может привести к искусственному человеческому сердцу. Если вы можете объединить клетки и искусственные материалы в пульсирующую структуру, вы можете приблизиться к созданию искусственного человеческого сердца на один шаг.
Профессор отмечает, что он планирует построить искусственное сердце, но невозможно пройти от нуля до целого сердца за одну ночь! Паркер видит роботизированный луч и роботизированную медузу в качестве тренировочных упражнений, которые могут воспроизводить некоторые из функций сердца и раскрывать некоторые его секреты.
Кроме того, исследование может помочь морским биологам лучше понять картины плавания луча.
Паркер называет роботизированный луч произведением искусства. Каждый видит в нем что-то другое, и это красота трансдисциплинарной науки. Он переезжает в свой следующий проект, но не дает никаких подробностей об этом.
Учитывая, что даже добавление второго слоя мышечных клеток к роботу Гарварда является сложной задачей, нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем увидеть работающее искусственное сердце. Однако достижения этого исследования заслуживают восхищения.
Мы можем ожидать, что однажды биология может быть объединена с другими областями науки для создания систем, которые намного эффективнее, чем то, что мы могли бы достичь без междисциплинарного подхода.
Подробности исследования обсуждаются в журнале Science.
Рекомендуемое изображение любезно предоставлено MIT Technology Review