Ученые из США создали первых в мире биороботов

13 января 2020 года ученые из Университета Вермонта (США) сообщили о создании первого биоробота, полностью состоящего из живых клеток.

Новые существа были разработаны на суперкомпьютере в UVM, который из тысяч вариантов проектов отобрал наиболее перспективные, отвечающие запросам ученых, законам биофизики и анатомо-физиологическим свойствам материала.

Посредством специальных алгоритмов клетки лягушки были перепрофилированы, затем под микроскопом с помощью микрощипцов и электрода разделены и собраны в совершенно новые формы жизни - «ксеноботы». Получившиеся биороботы, имеющие ширину 1 мм и особую форму, состоящие из 500 - 1 тыс. клеток кожи и сердца эмбрионов лягушки, способны к передвижению, происходящему за счет сокращения кардиомиоцитов, а также к самовосстановлению после механических повреждений. Однако, их нельзя считать полноценно живыми из-за отсутствия функции размножения и свойства эволюционировать. Такие роботы пока ограничены водной средой обитания и живут несколько дней или недель, питаясь запасом эмбриональной энергии.

«Это новые живые машины», — говорит Джошуа Бонгар, специалист по компьютерным технологиям и робототехнике в Университете Вермонта, один из руководителей исследования — «Они не являются ни традиционным роботом, ни известным видом животных. Это новый класс артефактов: живой, программируемый организм».

Механизм передвижения ксенобота

Потенциал исследования заключается в понимании процессов взаимодействия клеток с точки зрения вычислительной техники, понимании алгоритмов, определяющих форму и функции.

Для того чтобы организм развивался и функционировал, постоянно происходит не только межнейронный, но и межклеточный, внутриклеточный обмен информацией и сотрудничество — органические вычисления. Они определяются биоэлектрическими, биохимическими и биомеханическими процессами, «которые протекают на оборудовании, определенном ДНК, — говорит руководитель Центром регенеративной биологии и биологии развития в Уиверситете Тафтс, Майкл Левин, — и эти процессы можно реконфигурировать, создавая новые живые формы».

Четвероногий ксенобот, диаметром 650-750 микрон, немного меньше булавочной головки

По мнению ученых, ксеноботов в будущем можно использовать в медицине для целевой доставки препаратов или устранения бляшек в кровеносных сосудах.

Ранее проводились подобные исследования. Но каждое из них – внесение доработок в имеющуюся живую систему или внедрение живых клеток на искусственно созданный каркас.

Так, в лаборатории iBionicS Университета Северной Каролины в 2012 году создали радиоуправляемого таракана, прикрепив на его спину чип с аккумулятором. Корректировка траектории движения происходила с помощью воздействия сигналов с чипа на нервную систему через усики.

В марте 2016 года ученые Наньянского университета, производя воздействие на определенные группы мышц, приводили в движение лапки жука Mecynorhina torquata. Меняя очередность воздействия и его силу, регулировали скорость передвижения насекомого ¹.

В 2012 году сотрудниками Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института был создан «медузоид» ², путем нанесения рисунка из протеинового раствора на полимерную матрицу. По строению получившийся бот напоминает медузу Aurelia aurita и использует те же принципы передвижения – за счет сокращения мышц и выталкивания жидкости. Для обеспечения этого «медузоид» помещен в электропроводящий соляной раствор, где воздействием электрических импульсов стимулируется сокращение мышечных клеток.

На основании этого исследования 2016 году группа ученых из Гарварда произвела разработку «золотого» ската ^3,4. «Скелетом» для данной системы стало золото благодаря нереагентности в нормальных условиях. С помощью внедрения в миоциты гена, отвечающего за выработку светочувствительного белка KR2 – переносчика ионов натрия, удалось добиться генерации электрического потенциала и сокращения мышечной клетки, приводящей в движение ската.

Первый прототип биоробота, не имеющего аналогов в природе, создали ученые из Университета Иллинойса в 2012 году. Это был напечатанный трехмерный каркас из гидрогеля с высеянными на его поверхность кардиомиоцитами мыши ^5,6, которые при определенных внешних условиях самостоятельно сокращались и расслаблялись, приводя биобота в движение.