Силы света: Биоробототехника в действии
О роботах, так или иначе заимствующих возможности живых организмов и решения, найденные самой природой, мы слышали уже не раз. Одни из них плавают по-рыбьи, другие — как медузы. Третьи «прилипают» к поверхностям, как гекконы, четвертые бегают на манер гепардов. Разработку, представленную группой профессора Гарри Асады (Harry Asada), роботом пока не назовешь. Но зато она заимствует у природы намного глубже. Ученые прямо взяли из нее отдельные элементы и, как из конструктора, сложили нечто новое.
Их генетически модифицированная мышечная клетка способна сокращаться в ответ на свет — из них можно сложить мышечную ткань, активируемую светом, ткань, которая станет отличной основой для упругих движений роботов будущего. По мнению Гарри Асады, такой подход полностью размывает границы между живым и неживым. Профессор предлагает называть это «биоробототехникой».
В таком деле без биологов не обойтись, так что в работе приняли участие и ученые из Лаборатории биомеханики под руководством Роджера Камма (Roger Kamm). В качестве объекта авторы выбрали скелетную мышечную клетку, способную развивать большее усилие, нежели клетки сердечной или гладкой мускулатуры. Чтобы такая клетка сократилась, ей необходима внешняя стимуляция. В организме этот сигнал дает слабый электрический импульс от нейронов. Однако, по мнению ученых, для «биоробототехники» это решение хотя и эффективно, но будет слишком громоздким и трудноуправляемым: потребуется подводить по электроду к каждой клетке, иметь источник электроэнергии для них и так далее.
Поэтому авторы обратились к методам оптогенетики: модификации живых клеток с тем, чтобы они совершали определенное действие в ответ на кратковременное воздействие света — например, лазерного импульса. Об одном интересном эксперименте в этой области мы писали недавно в заметке «Обезьяна под контролем». Теперь ученые, взяв культуру клеток скелетной мышцы (миобластов), внедрили в их мембрану белковые каналы, реагирующие на возбуждение светом. Затем такие модифицированные миобласты были объединены в мышечные волокна и стимулировались 20-миллисекундными вспышками синего лазера. Все прошло, как по маслу: точечная подсветка того или иного волокна заставляла его (и только его) моментально сокращаться.
Таким образом, ученые получили возможность осуществлять беспроводной контроль за сокращениями мышечных волокон. Затем они сделали следующий шаг: вырастили эти волокна в гидрогелевой основе, тем самым получив искусственную трехмерную мышечную ткань, которая реагировала на лазерную стимуляцию, как и ожидалось.
Авторы даже измерили силу этой искусственной ткани с помощью специального микромеханического устройства, созданного командой Кристофера Чена (Christopher Chen). Кстати, такое устройство можно использовать и для тренировки искусственной мышцы: растягиваясь и сжимаясь под лазерными импульсами, она постепенно наращивает усилие не хуже мускул атлетов в спортзале. Более того, по словам Асады, такая тренировка биороботам будет прямо необходима: их мышцы деградируют без нагрузки точно так же, как и наши.
Особенно перспективной разработка выглядит применительно к микроскопическим устройствам. Такие точно контролируемые мышцы позволят сделать их по-настоящему маневренными и гибкими. «Мы можем разместить десять степеней свободы в очень ограниченном объеме, меньше чем миллиметр, — говорит Асада, — Никаким актюаторам такое и не снилось». Впрочем, пока создание таких устройств — дело будущего, а модифицированная мышечная ткань может найти применение уже сейчас, например, в исследовании соответствующих заболеваний и поиске лекарств против них.
По пресс-релизу MIT News Office