| 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).
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.  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. Рисунок из [2].С точки зрения хламидомонадыШестнадцатимиллиметровые 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).ОптогенетикаОптогенетика — сочетание генетических и оптических методик, позволяющее тонко регулировать работу нейронов и мышечных клеток путем воздействия на них светом [4]. Эта технология, возникшая в 2005 году, основана на действии белков-рецепторов из группы опсинов (к ним относятся и белки, позволяющие нам видеть). Эти белки находятся в мембране клетки и служат там ионными каналами — насосами, меняющими форму под действием света.Если заразить нейрон или мышечную клетку вектором (безобидным вирусом, лишенным опасных свойств и несущим гены, необходимые ученым) с геном, кодирующим опсин, этот ген начнет производить белок, и мы получим клетку с ионными каналами в мембране, которые можно активировать с помощью света. При воздействии света определенной длины волны (в зависимости от типа опсина: в оптогенетике чаще всего используют микробные галородопсины, реагирующие на желтый свет, и каналородопсины, активируемые красным) белок «открывает ворота» и пропускает внутрь клетки положительно заряженные ионы, пока там мало им подобных. В какой-то момент в клетке формируется положительный заряд по сравнению с окружающей средой, после чего каналы отключаются, и разница зарядов выравнивается вытекающими из клетки ионами калия. На этом механизме основана природа электрического импульса, возбуждения нервных клеток и сокращения мышц. Таким образом, оптогенетика позволяет нам с большой точностью «включать» и «выключать» нервные и мышечные клетки с помощью света. Обычно оптогенетику используют для более детального исследования работы нейронных связей [5]. Бесспорно, гораздо более интересны перспективы, которые сулит управление нервной тканью: уже сейчас с помощью этой технологии ученые могут воздействовать на мышиные воспоминания или дарить рудиментарное зрение слепым крысам. Однако, как показал скат-киборг, подобный подход к мышечной ткани таит в себе немало интересных возможностей. 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 скатоводстваОценивая 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.  Рисунок 2. До выхода в открытое плавание еще далеко: скорость малютки — лишь девять метров в час. Рисунок из [2].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.  Рисунок 3. Глаз и скат. Сейчас мы наблюдаем за скатом, а потом он поможет нам наблюдать за другими организмами. Рисунок из [1].Переходное звеноПри 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
Дополнительные материалы
| ||
воскресенье, 14 августа 2016 г.
Мечтают ли батоиды об электрокрысах?
