Разработаны ползающие биороботы с оптогенетическим управлением
Двигательные функции человека и других животных опосредованы сложными биологическими и нейронными механизмами. Десятилетиями специалисты в области робототехники пытаются разработать системы, имитирующие эти механизмы, но процессы, управляющие движением таких систем, остаются совершенно иными.
Американские биоинженеры и робототехники разработали биогибридных роботов, сочетающих живые клетки мышей с трехмерными гидрогелевыми структурами, напечатанными на 3D-принтере, и беспроводной оптоэлектроникой. Статья о новинке вышла в Science Robotics.
Эти роботы имеют нервно-мышечные соединения, нейроны которых можно контролировать с помощью оптогенетических методов, имитируя нейронные механизмы, обеспечивающие движение человека.
«Эта статья стала результатом важного этапа в нашей работе над биогибридной робототехникой, которая ведется на протяжении последних 15 лет. Мы продемонстрировали впечатляющее достижение — использование нейронов для управления мышцами и, следовательно, движениями этих ползающих биогибридных роботов», — пояснил профессор Рашид Башир из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, старший автор исследования.
У человека произвольное движение определенных частей тела управляется мозгом. В частности, известно, что нейроны управляют мышцами, создавая силу, которая приводит к действию и движению. Башир и его коллеги стремились воспроизвести этот физиологический процесс в миниатюрных биогибридных роботах.
«Еще одной целью нашего исследования было показать, что мы можем оптически стимулировать и обучать нервную ткань с помощью беспроводных микросветодиодов, разработанных группой профессора Джона Роджерса из Северо-Западного университета, чтобы изменять скорость движения биогибридных роботов», — добавил профессор.
Биогибридные роботы, разработанные исследователями, основаны на полимерном каркасе, который легко изготовить с помощью технологии 3D-печати. Вокруг него вырастили мышечную ткань с помощью методов биогибридной тканевой инженерии.
По сути, разработчики дифференцировали стволовые клетки мышей в мотонейроны и поместили их на напечатанные 3D-структуры, на которые также нанесены выращенные в питательной среде мышечные ткани, и добились их живого соединения.
«Сокращение живых мышц происходит в ответ на стимул (электрический, оптический или от нейрона), и если каркас разработан соответствующим образом, то роботы движутся в заданном направлении», — объяснил Башир.
«Широкий интерес и причины создания этих живых машин заключаются в изучении принципов проектирования биогибридных систем и живых клеток, а также в потенциальном использовании таких преимуществ, как биоразлагаемость, низкое энергопотребление, способность к обучению и свойства самоорганизации», — уверен исследователь.
Недавнее исследование Башира и его коллег вскоре может вдохновить других специалистов в области робототехники и генетики на создание аналогичных биогибридных роботизированных систем. В будущем эти разработки могут оказаться полезными для изучения двигательных процессов, выполнения различных задач в биологических средах или для применения в регенеративной медицине.
«Наша работа может открыть путь к созданию биологических машин с нервной тканью, которые могут обучаться, адаптироваться и реагировать на стимулы. Мы хотели бы продолжить нашу работу по проектированию функций более высокого порядка, таких как обучение, память и принятие решений при внешних стимулах. Мы планируем разработать более сложные формы движения, такие как перемещение в разных направлениях и преодоление препятствий», — подытожил ученый.
