Прозрачные скаты-роботы

На обложке недавнего номера журнала Science было изображено странное полупрозрачное существо, напоминающее миниатюрную рыбу ската. Фотографию сопровождала подпись ray of light, что можно перевести и как «луч света», и как «световой скат». Так миру сообщили о созданном ученые устройстве (или уже правильнее будет сказать существе?) из мышечных клеток на силиконовом основании. Оно способно плавать, как настоящий маленький скат, а управляется лучами света.

Во время демонстрации в Гарвардском университете скаты-роботы длиной шестнадцать миллиметров плавали в резервуаре с водой со скоростью 3,2 миллиметра в секунду. По словам профессора биоинженерии Кевина Кита Паркера (Kevin Kit Parker), возглавлявшего создателей киберскатов, они стали лишь тренировочным упражнением перед разработкой других «биогибридных роботов». А дальняя цель ученых – научиться делать из мышечных клеток и силикона человеческое сердце.

Коллеги Паркера признаются, что когда тот рассказал им о планах «разобрать крысу, собрать из нее ската, да еще обеспечить ему лазерное наведение», их охватили «ужас и печаль». Хотя у Паркера и его коллег уже был опыт по разработке подобного существа, пусть и попроще ската-робота. В 2012 году они совместно с учеными из Калифорнийского технологического института из силикона и живых клеток сердечной мышцы собрали медузоида – свободно плавающий аналог медузы.

Тогда Паркер размышлял над созданием биоинженерных мышц и органов, способных к самостоятельному движению. Однажды, зайдя в Аквариум Новой Англии (New England Aquarium), он обратил внимание на плававших там медуз и сразу отметил сходство и различие между ними и работой клапанов человеческого сердца. Паркер решил, что разработка «медузы» станет хорошим первым этапом в имитации сердечного насоса человека.

Проект был начат в 2007 году. Тогда ученые использовали методы кристаллографии и биометрии, чтобы создать точную карту внутриклеточных белковых сетей внутри всех мышечных клеток купола медузы. Затем они исследовали распространение электрофизиологического импульса в ее клетках, а также биомеханику движений.

Медуза-прототип и искусственный медузоид

В качестве двигателя для медузоида выступили кардиомиоциты крыс, которые активировались электричеством. Телом медузоида стал силиконовый полимер в виде купола с восемью придатками. Вся конструкция была помещена в контейнер с соленой океанской водой, и после стимуляции электротоком в ней начались синхронизированные мышечные сокращения, которые заставили медузоида плавать, подобно настоящей медузе.

Паркер тогда признавался, что был удивлен, насколько небольшое количество мышечных клеток понадобилось, чтобы достаточно точно воспроизвести движения медузы. Тогда он понял, что мышечные клетки становятся еще одним строительным материалом, подобно стали или бетону, и дело теперь за разработкой точных количественных спецификаций по постройке из них биогибридных органов. Ближайшим шагом, по замыслу Паркера, должна была стать разработка существ, которые могли не просто плавать, а двигаться в заданном направлении. Ими и стали скаты-роботы.

Идея выбрать форму ската пришла в голову Паркеру опять-таки во время посещения аквариума. Ученый с семилетней дочерью пришли в зал, где посетителям давалась возможность потрогать некоторых морских обитателей, плававших в неглубоких аквариумах. Девочка протянула руку, чтобы прикоснуться к маленькому скату, но тот ловко свернул в сторону. Внимание Паркера привлекла координация мышц ската. Он еще немного полюбовался изящными движениями этих рыб и понял, что его команде по силам их воссоздать.

Скат-робот в десять раз меньше своего живого прототипа. Его вес всего 10 граммов. Телом его служит силиконовый полимер, скелет состоит из тонких прожилок золота, а мышцами стали 200 000 крысиных кардиомиоцитов.

Предварительно команде ученых пришлось вывести генетически модифицированную линию лабораторных крыс, клетки миокарда которых возбуждались под действием синего света. Затем у двухдневных эмбрионов таких крыс были взяты кардиомиоциты для использования в роботах-скатах. Исследователям пришлось провести довольно много времени за изучением тонкостей анатомии и физиологии нервной системы скатов и их мышц. В силиконовом теле робота был сделан шаблон, состоящий из внеклеточного белка фибронектина, который направлял рост клеток по схеме, похожий на мышцы настоящего ската. Скат плавает в физиологическом растворе, подогретом до температуры тела крысы.

Есть одно принципиальное отличие робота от живого ската. У рыбы плавники движутся и вверх, и вниз под действием мышц, тогда как у робота мышечные клетки только опускают плавник, а подъем происходит благодаря упругости тонких золотых проволочек. Импульсы лазера синего цвета позволяют заставлять робота-ската двигаться, менять скорость и поворачивать, огибая препятствия. Это было непростой задачей. Было предпринято целых двести попыток, только чтобы заставить ската двигаться прямо после световой вспышки. Зато теперь у Паркера есть 100 скатов-роботов, способных под управлением двух лазерных источников света плыть по сложным траекториям, избегая препятствий. Хотя маневренность роботов все-таки ниже, чем у живых скатов, на данном этапе ученые довольны таким результатом.

Другие ученые высоко оценили работу Паркера. Специалист по нейроинженерии Сюй Кеди из Университета Чжэцзян в Ханчжоу говорит: «Можно представить себе, что в один прекрасный день мы сможем использовать эту технологию для восстановления частей человеческого тела». «Сердце представляет собой полую мышцу, – комментирует перспективы исследования Симон Хёрструп (Simon Hoerstrup), сердечно-сосудистый хирург из Института регенеративной медицины Цюрихского университета. – Многие из функций, которые вы видите в этом скате, вы можете найти и в сердце».

Статья Паркера и его коллег о работе над роботами-скатами опубликована в том самом номере журнала Science, обложку которого украсил один из них.