Исследователи создают микроскопических биогибридных роботов, приводимых в движение мускулами и нервами

В 2014 году исследовательские группы во главе с профессором машиностроения и инженерии Тахером Саифом и профессором биоинженерии Рашидом Баширом из Университета Иллинойса работали вместе над созданием первых самоходных биогибридных биоботов для плавания и ходьбы, работающих за счет биения клеток сердечной мышцы, полученных от крыс.
«Наше первое исследование с участием пловцов успешно продемонстрировало, что боты, созданные по образцу сперматозоидов, действительно могут плавать», – сказал Саиф. “Это поколение однохвостых ботов использовало сердечную ткань, которая бьется сама по себе, но они не могли ощущать окружающую среду и принимать какие-либо решения.”
В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences под руководством Саифа, исследователи демонстрируют новое поколение двусторонних ботов, работающих за счет ткани скелетных мышц, стимулируемых бортовыми двигательными нейронами. Нейроны обладают оптогенетическими свойствами: при воздействии света нейроны срабатывают, приводя в действие мышцы.

«Мы применили культуру оптогенетических нейронных клеток, полученных из стволовых клеток мыши, прилегающих к мышечной ткани», – сказал Саиф. “Нейроны продвинулись к мышце и сформировали нервно-мышечные соединения, и пловец собрался самостоятельно.”
Убедившись, что нервно-мышечная ткань совместима с их синтетическими скелетами биоботов, команда работала над оптимизацией способностей пловца.

«Мы использовали вычислительные модели под руководством профессора машиностроения и инженерии Маттиа Газзола, чтобы определить, какие физические характеристики приведут к наиболее быстрому и эффективному плаванию», – сказал Саиф. «Например, мы рассмотрели варианты количества хвостов и длины хвоста для наиболее эффективной конструкции биогибридного пловца.”
“Учитывая тот факт, что биологические исполнительные механизмы или биоботы не так развиты, как другие технологии, они не могут создавать большие силы. Это затрудняет контроль их передвижения “, – сказал Газзола. «Очень важно тщательно спроектировать подмости, вокруг которых растут и взаимодействуют биоботы, чтобы максимально использовать технологии и выполнять функции локомотива.

Компьютерное моделирование, которое мы запускаем, играет решающую роль в этой задаче, так как мы можем охватить несколько возможных проектов и выбрать только самые многообещающие для тестирования в реальной жизни.”
«Способность управлять мышечной активностью с помощью нейронов открывает путь для дальнейшей интеграции нейронных единиц в биогибридные системы», – сказал Саиф. «Учитывая наше понимание нейронного контроля у животных, возможно, удастся продвинуться вперед с биогибридным нейромышечным дизайном, используя иерархическую организацию нейронных сетей.”
Саиф сказал, что он и его команда предвидят, что это продвижение приведет к разработке многоклеточных инженерных живых систем со способностью разумно реагировать на сигналы окружающей среды для приложений в биоинженерии, медицине и технологиях самовосстановления материалов.

Тем не менее, команда признает, что, как и живые организмы, не будет двух биогибридных машин, которые будут абсолютно одинаковыми.
«Точно так же, как близнецы на самом деле не идентичны, две машины, предназначенные для выполнения одной и той же функции, не будут одинаковыми», – сказал Саиф. “Один может двигаться быстрее или лечиться от повреждений иначе, чем другой – уникальный атрибут живых машин.”

Грант Национального научного фонда по науке и технологиям – Emergent Behavior for Integrated Cellular Systems и NSF Emergent Frontiers in Research and Innovation поддержал это исследование.

Вот недавно на работе много интересного про русский зимний пейзаж (65 фото) узнал и почитал. Думаю и вам стоит на все это посмотреть своими глазами. Это очень интересно.