Ученые создали сердечного биоробота

Недавно группе американских исследователей удалось создать биоробота, напоминающего медузу. И этот франкенштейн состоял всего-то из клеток сердечной мышцы крысы и особого пористого силикона. Интересно, что его движение практически не отличалось от такового настоящих медуз. Исследователи предрекают своему детищу большое и светлое будущее…

Фото:

Как мы знаем, медуза, которая является активной жизненной формой большинства кишечнополостных (Cnidaria), состоит из трех слоев, эктодермы и энтодермы, образованных живыми клетками, и располагающегося между ними мезохила. Последний представляет собой желеобразный раствор органических соединений в воде. Именно благодаря мезохилу медузы могут сохранять форму, а также двигаться реактивным способом.

Коротко процесс движения медузы можно описать так — сначала мышечные клетки эктодермы сокращаются, в результате чего само животное сжимается. При этом подворачивающиеся края тела захватывают воду. В итоге внутри колокола сжавшейся медузы ее становится довольно много. Однако сокращение происходит лишь до того момента, пока мезохил еще можно сжать. При достижении предела сжатия этот весьма упругий слой начинает пружинить, словно батут, и тело медузы вновь расправляется. Высвобождаемая при этом вода и создает реактивную тягу.

Поэтому перед группой ученых из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США), которые решили создать искусственную медузу, сразу встала одна интересная задача — этот биоробот должен обладать достаточно упругой "подкладкой" (аналогом мезохила) и внешним слоем, способным к сокращению (аналог эктодермы). Но из какого материала можно сделать все это? Один из участников исследования по биомеханике, Кэвин Паркер из Гарвардского университета (США), вспомнив свои давние наблюдения, предложил использовать клетки сердца, выращенные в культуре.

Читайте также: Микророботы остались на бобах

"В 2007 году я начал сомневаться в том, что мы правильно понимаем фундаментальные законы, управляющие работой мускульных помп. Я начал изучать морские организмы, которые используют мускулы для передвижения. И тогда я увидел медузу в аквариуме Новой Англии (океанариум в Бостоне) и сразу заметил сходства и различия в том, как прокачивают жидкость мускулы человеческого сердца и колокола медузы", — так обосновал свое предложение г-н Паркер.

Приняв предложение специалиста, ученые некоторое время подбирали соответствующие клетки, пока не остановились на взятых из сердца крысы. С ними достаточно легко работать, да и кроме того, в США имеется множество клеточных культур подобного типа (в которых, само собой, растут не сами кардиомиоциты, а их клетки-предшественники).

Кроме того, сердечные клетки самого полезного для науки грызуна оказались выгодными по еще по одной причине — как и кардиомиоциты всех позвоночных, они, контактируя между собой, способны при внешнем воздействии синхронно сокращаться. То есть если стимулировать их, например, слабым разрядом электрического тока, они все разом моментально сожмутся. А в отсутствии сигнала — все разом расслабятся.

Однако данные клетки должны быть размещены на какой-то основе, аналоге мезохила. В качестве материала, имитирующего данный слой, ученые решили использовать полидиметиолсилоксан — полимер из группы силиконов. Он очень упруг и обладает пористой структурой, благодаря которой помещенные на него клетки имеют возможность хорошо закрепиться на поверхности.

И вот, создав из полимера конструкцию, напоминающую колокол настоящей медузы (с восьмилучевой симметрией), исследователи, нанеся на поверхность каркаса нужную микроструктуру (из опорных белков), расположили на ней сердечные клетки — именно так, как расположены мышцы медуз. После этого биоробот, названный Meduzoid, то есть "аналог медузы", был отправлен в свое первое плавание. Но, конечно же, не в океан, а в институтский аквариум с соленой водой. В самой емкости находилась пара электродов — это нужно было для того, чтобы стимулировать движение робота.

После того как на электроды был подан ток, прежде пассивный Meduzoid пробудился и поплыл. Под действием электрического разряда его мышечные клетки сокращались, а во время паузы между подачами тока форма его колокола восстанавливалась за счет упругости полимера. То есть биоробот двигался так же, как и настоящая медуза. Впрочем, повторив эксперимент, исследователи обнаружили, что на самом деле их франкенштейн начал сокращаться еще до того, как источник тока был подключен к электродам.

Судя по всему, это произошло оттого, что поскольку вода была морской, слабый фоновый электрический ток там присутствовал и сам по себе. Он-то и подействовал на мышцы биоробота. А разряд просто-напросто заставил их действовать быстрее. Однако эта накладка уже не имела особого значения — эксперимент по созданию искусственной медузы был признан успешным.

После завершения опытов исследователи, проанализировав результаты и построив компьютерную модель, выяснили, что движение жидкости во время перемещений биоробота практически полностью копирует таковое у живых медуз. Экспериментаторам удалось воспроизвести даже вихревые потоки, которые у медуз подгоняют пищу к ротовому отверстию (чего, собственно говоря, они вовсе не стремились делать). В целом движение франкенштейна от движения перемещения настоящих медуз отличалось только лишь отсутствием направления (Meduzoid просто вращался по спирали) и необходимостью во внешней стимуляции.

"Я был поражен, когда нам удалось с помощью всего нескольких компонентов, то есть силиконовой основы и клеток сердечной мышцы, воспроизвести движения настоящей медузы — плавание и питание. Кроме того, меня приятно удивило, как близко мы подошли к полноценной имитации реального живого существа, а также что мы видим пути для дальнейшего улучшения свойств робота. Ведь, как выясняется, эволюция не заметила достаточно много хороших и оригинальных инженерных решений", — так прокомментировал результаты испытаний руководитель группы биотехнологов профессор Джон Дабири.

Читайте также: Зооморфные роботы помогут всем

По словам г-на Дабири, теперь инженеры смогут увереннее использовать живые ткани в качестве строительных материалов. И на их основе создать множество интересных вещей — от новых биороботов до бытовых приборов и зданий. А что касается самого Meduzoid, то опыты с этим организмом решили две важные задачи. Во-первых, на его основе может быть создан универсальный робот-разведчик подводных глубин. А во-вторых, это искусственное существо, само того не подозревая, заложило методическую базу для создания искусственных органов…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"