Подводный киборг: исследователи скрестили биологию и электронику в одном робо-скате

В крошечном лабораторном бассейне плавает необычный робот размером с монету. Он легко преодолевает расстояния, в несколько раз превышающие размеры его тела, ловко огибает препятствия и демонстрирует невиданную ранее выносливость. Секрет этого чуда инженерной мысли кроется в его уникальной конструкции, сочетающей живые клетки и электронику.

Робот представляет собой биогибридную систему, в которой живые нейроны и мышечные клетки человеческого происхождения управляются программируемым электронным "мозгом". Клетки покрывают синтетический "скелет" с плавниками, образуя плотные соединения, подобные тем, что обеспечивают движение в нашем теле.

На борту робота установлена беспроводная электронная схема с магнитными катушками. Она контролирует активность нейронов, усиливая или подавляя их деятельность. В свою очередь, клетки мозга активируют мышечные волокна.

Наблюдение за движениями модели завораживает, но значение этого исследования выходит далеко за рамки визуальной привлекательности. Ученые давно вдохновляются природой, пытаясь сделать роботов более ловкими и менее энергозатратными. Новая разработка выводит эту область на передовую "нейромоторного фронтира". Возможно, она позволит нам создать автономные системы, которые смогут адаптивно управлять движениями и обучаться на более продвинутом уровне. Роботы на основе биологических тканей совместимы с живыми организмами, поэтому они также открывают новые возможности для междисциплинарных исследований.

Для создания модели разработчики использовали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК). Чтобы получить их, нужно сначала перепрограммировать клетки кожи, как бы вернув к состоянию стволовых. Затем их развитие направляют в нужную сторону. Таким образом ученые вырастили двигательные нейроны, которые отвечают за управление мышцами, а также мышечные клетки, напоминающие те, что заставляют сердце биться. В чашке Петри эти клетки соединились так, что нейроны смогли управлять мышечными сокращениями.

Робот состоит из двух основных компонентов. Первый - это тонкопленочный каркас из углеродных нанотрубок и желатина - тело и плавники. Искусственный мозг управляет конструкцией с помощью магнитной стимуляции, изменяющей электрическую активность нейронов.

При управлении используются разные частоты, чтобы активировать нейроны левого или правого плавника. Оператору этот механизм позволяет направлять робота по прямой и поворачивать его. В зависимости от входного сигнала разработка может двигать одним плавником, обоими плавниками или чередовать их работу. Последний режим повышает выносливость робота при длительном плавании, подобно тому, как люди чередуют работу рук при гребле на каяке. В гибкости модель могла бы соревноваться с настоящей бабочкой или даже скатом.

Нейроны и мышечные клетки робота образовали тип соединения, который полагается исключительно на электричество при передаче данных. Обычно такие соединения, называемые синапсами, требуют дополнительного химического посредника и работают только в одном направлении.

А вот сети, которые образовались в роботе, передавали сигналы в обоих направлениях, причем быстрее и дольше обычного. Они способны управлять мышцами до 150 секунд - это примерно в 7,5 раз дольше, чем стандартные химические синапсы. Кроме того, биогибридный робот оказался гораздо экономичнее в плане энергии, чем системы, вдохновленные природой, но сделанные только из искусственных материалов.

Пока что эти крошечные роботы могут жить только в специальном питательном растворе. Но они уже показывают, как можно соединить живые компоненты с электроникой и неживыми каркасами так, что не будет видно швов. В будущем эта разработка может лечь в основу нового поколения органоидов на чипе. С их помощью ученые смогут изучать болезни мозга и мышц, а также проверять, как работают новые лекарства.