Аннотация:
Инженеры MIT разработали тонкого подводного робота, работающего на живых клетках скелетных мышц. Устройство не имеет традиционного двигателя. Основной корпус представляет собой два независимо управляемых гелевых плавника, каждый длиной около 15 мм, шириной 7 мм и толщиной 0,5 мм. Поверхность покрыта тонким слоем мышечных клеток толщиной менее 15 микрон. Исследовательская группа позволила клеткам скелетных мышц мыши экспрессировать светочувствительные ионные каналы, которые могут реагировать на синий свет. После облучения синим светом с длиной волны около 470 нанометров клетки сжимаются и заставляют гелевые плавники взмахивать крыльями, заставляя робота двигаться в воде.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Advanced Functional Materials». Команда создала каркас из метакрилированного желатина под названием GelMA и нанесла на его поверхность бороздки, которые направляют мышечные клетки в одном направлении. По сравнению с ранее использовавшимся гелем фибрина, каркас GelMA лучше выдерживает мышечные сокращения и с меньшей вероятностью сжимается при движении клеток. Эксперименты также показали, что квадратные бороздки внизу более способствуют расположению мышечных клеток, слиянию волокон и скоординированной генерации силы, чем дугообразные бороздки. Исследователи также «тренировали» мышечную ткань посредством многократной импульсной стимуляции, чтобы усилить ее сокращение. Наконец, два куска отдельно управляемой мышечной ткани образуют левый и правый плавники робота. Исследователи могут управлять одной стороной по отдельности или обеими сторонами одновременно, чтобы изменить направление и скорость движения.
В чашке Петри исследователи вручную перемещали источник света, чтобы провести робота через простой лабиринт. Максимальная линейная скорость, указанная в статье, примерно в 4 раза превышает длину фюзеляжа в минуту, а максимальная скорость вращения составляет около 1200 градусов в минуту. По данным Массачусетского технологического института, это намного медленнее, чем у олимпийского пловца, но похоже на медленно движущуюся бычью акулу. «Навигация» здесь полагается на внешний персонал для управления источником света, а у робота пока нет автономного восприятия, принятия решений и бортовых систем управления.
В документе также сообщается, что сила сокращения единичного объема оптимизированной двумерной мышечной пленки примерно в 20 раз превышает силу трехмерной мышечной ткани; время его функционального поддержания после отделения от фиксированной опоры было сокращено с менее чем 10 минут для старой структуры фибрина до более чем 30 дней для структуры GelMA. Эти 30 дней относятся к функциональному сроку службы привода мышечной мембраны без фиксированной опоры в эксперименте и не означают, что робот может непрерывно плавать в течение месяца. Исследования показали, что смещение тканей после тренировки световой стимуляцией примерно в 4 раза больше, чем в нетренированной контрольной группе.
Эта конструкция направлена на решение проблемы традиционных биогибридных роботов, которые имеют большие размеры и требуют большого количества трехмерных культивируемых мышечных клеток. Исследовательская группа считает, что живые ткани, которые мягкие, реагируют на окружающую среду и обладают определенными способностями к самовосстановлению, могут быть использованы для таких задач, как исследование хрупких вод и мониторинг окружающей среды в будущем. Тем не менее, исследование по-прежнему опирается на одну линию мышечных клеток мыши, простые плавники и внешнюю стимуляцию синим светом; Команда заявила, что следующим шагом будет оптимизация конструкции кузова для увеличения скорости и изучение интеграции источников микросвета и портативных источников питания. Такие применения, как минимально инвазивная хирургия, в настоящее время являются лишь долгосрочными идеями и еще не проверены на практике.
Комментарии