Мягкий робот-скат плывёт на свет

К синтетической медузе, созданной несколько лет назад, добавился синтетический скат – небольшой робот, сделанный из силикона, золота и живых клеток сердца.

Несколько лет назад Кевин Кит Паркер (Kevin Kit Parker) и его коллеги из Гарварда сделали искусственную медузу из силикона и сердечных клеток крысы. Моделью тогда стала ушастая аурелия, куполообразная медуза из Чёрного и Средиземного морей, которая двигается, схлопывая тело-купол с помощью слоя мышечных клеток – выбрасываемый поток воды толкает медузу вперёд.

Чтобы воспроизвести в общих чертах строение медузы, исследователи выращивали сердечные клетки крысы на слое полимера полидиметилсилоксана, который направлял и организовывал рост клеток. Когда получившуюся конструкцию помещали в электрическое поле, мышечные клетки сокращались, а эластичная силиконовая подложка растягивала мышечный слой обратно.

Помещённая в раствор между двумя электродами искусственная медуза, которую назвали медузоидом, двигалась, как настоящая – потоки воды вокруг медузоида вели себя точно так же, как если бы это плавала настоящая аурелия. (Видео с плавающим «сердечно-полимерным» киборгом можно посмотреть здесь.)

В новой статье в Science Кит Паркер и другие исследователи из Гарварда, Стэнфорда и южнокорейского Университета Согён описывают нового робота, которого на сей раз сделали в форме ската и который выглядит и двигается гораздо сложнее, чем медузоид.

Выбрав в качестве новой модели ската, предстояло в деталях выяснить, как устроены его мускулы и как с их помощью скат двигает плавниками – а двигает он ими довольно затейливо: по каждому плавнику спереди назад пробегает волна, и эта волна двигает рыбу вперёд.

Затем настало время делать робота. Общий принцип был тот же, что и в медузоиде: мышечные клетки, поддерживаемые силиконом, однако в случае ската, чтобы адекватно скопировать его движения, потребовалось ввести ещё и более жёсткий скелет, сделанный из золота: от его сердцевины в плавники отходили отростки, напоминающие настоящие лучи в рыбьих плавниках.

На силиконовые крылья робота посадили 200 000 сердечномышечных клеток, взятых у двухдневного эмбриона крысы. Эффективность мышечной работы зависит от того, как ориентированы клетки, то есть в каком направлении они сокращаются, и, чтобы клетки в синтетическом «скате» работали так, как надо, их сориентировали с помощью дополнительного белкового покрытия.

У настоящих скатов в плавниках есть два слоя мышц, сокращающихся в противоположных направлениях: они изгибают плавник вверх, другие вниз. В роботе же обошлись одним слоем мышечных клеток, которые гнули эластомерный плавник вниз, а вверх его тянули отростки жёсткого золотого скелета. Чтобы движения были похожи на то, как двигается настоящий скат, клетки выложили змейкой, которая изгибалась от краёв плавника к середине робота.

Как его заставляли двигаться? С помощью света: мышечные клетки оптогенетическими методами модифицировали так, чтобы они сокращались в ответ на световой импульс. (Подробно об оптогенетике можно почитать здесь.)

«Ската» освещали спереди, клетки начинали по очереди сокращаться, по эластичному плавнику пробегала волна, и робот двигался вперёд. Источник света был двойной, по лампочке на левый и правый плавник; если нужно было повернуть налево или направо, включали только одну лампочку, если нужно было плыть прямо, включали обе, меняя частоту световых импульсов, можно было менять скорость робота. Коротко схему устройства ската-киборга и то, как он плавает, можно посмотреть на видео авторов работы (в ролике маленький прозрачный скат почти незаметен, и за ним можно следить только по его золотому «скелету»).

Тем, кому уже представляются гигантские роботы, сделанные в размер скатов манта и бороздящие просторы Мирового океана, придётся подождать. Во-первых, для того, чтобы клетки жили и сокращались, им нужна особая среда, так что робот плавает пока только в особом питательном растворе, который к тому же подогревают до температуры тела крысы (ведь клетки, как мы помним, крысиные).

Во-вторых, двигается робот очень медленно: за час его можно заставить проплыть не более 9 метров. Скорее такие устройства – и медузоид, и скат – пригодятся в медицинской биоинженерии: возможно, с помощью такой технологии в будущем можно будет делать искусственные мышцы взамен состарившихся и больных и искусственные заплатки для сердца, перенёсшего инфаркт.

По материалам Science.