«Переводы»: Кевин Кит Паркер и команда «biohybrids». История создания биомеханического ската

Недавно группа независимых исследователей «biohybrids» разработала биомеханического ската, приходящего в движение от воздействия света и состоящего из сердечных мышечных клеток крысы. Concepture публикует рассказ о том, как был создан этот робот.

Кевин Кит Паркер хочет создать человеческое сердце. А его маленькая дочь любит аквариум в Новой Англии в Бостоне. В этой статье речь пойдет о том, что может получиться, если интересы отца и дочери дают результат, а именно: никелевого искусственного ската, движение которого направляется за счет света, а состоит он из мышечных клеток сердца крысы.

«Последние достижения в области инженерии, клеточной культуры, генетики и биомеханики дали нам возможность создать «живого» робота», – говорит Адам Саммерс, интегративный биолог из университета штата Вашингтон, Сиэтл. А некоторые думают, что объединение клеток живого организма и искусственных материалов в пульсирующую структуру (шедевр инженерной мысли Паркера), делает создание искусственного человеческого сердца на шаг ближе. «Можно представить себе, что в один прекрасный день мы сможем использовать эту технологию для восстановления частей человеческого тела», – говорит Сюй Кеди, нейроинженер из Университета Чжэцзян в Ханчжоу, Китай.

Паркер, прикладной физик из Гарвардского университета, сделал свои первые шаги в робототехнике 5 лет назад. Случилось это после того, как он был пленен красотой и изяществом медузы во время посещения аквариума. Ритмичные движения существа напомнили ему ритм бьющегося сердца. Его команде уже сейчас удалось получить сердечные мышечные клетки, выращенные на тонких пленках силикона. Результатом стал «медузоид» – простейшее искусственное существо, состоящее из клеток сердечной мышцы, наложенных на лист силикона и формованных в неглубокую чашку в оправе с закрылками. Ванна из солево-сахарного раствора, способствующего устойчивости клетки, и крошечные электрические разряды позволяют клеткам изменять форму силиконовой чашки так, чтобы прогонять жидкость, давая возможность «медузоиду» перемещаться. «Для меня это была обычная практика», – вспоминает Паркер. – «Сейчас я стараюсь делать все более качественные мышечные структуры».

Его новая работа была так же вдохновлена ​​посещением аквариума. «Может быть, есть какое-то сходство между тем, как меняет направление движения скат, и тем, как изменяются потоки жидкости в сердце» – рассказывает Паркер. Поэтому он решил двигаться вверх по дереву жизни, от медуз к лучевым, а также пополнить свою команду «biohybrids» новыми членами.

Опять же, благодаря своей дочери, он предложил простой способ управления новым роботом: свет. Когда она была малышом, Паркер водил ее по тротуару, держа в руках лазерный указатель, которым он светил на землю, заставляя дочь наступать на лучи света. Вполне вероятно, его команда сможет сделать что-то подобное с искусственным лучевым роботом, заставив мышечные клетки реагировать на свет. Для этого они обратились к оптогенетике, в которой изучаются клетки генетически наделённые свето-отзывчивыми молекулами, запускающие сигнальные каскады. Так как команда не имела опыта работы с данными методами, был привлечен сторонний специалист Сунг-Джин Парк.

Прошло 4 года, прежде чем ожидания Паркера стали сбываться. Парк и другие начинали с наблюдения за скатами, чтобы узнать, как устроены мышцы; позже, коллеги в другой лаборатории проанализировали, как мышцы плавниковых приводов синхронизированы со складками, которые приводят в движение лучи. Для имитации базовых анатомических параметров животного Парк экспериментировал со многими конфигурациями мягких роботов, в конце концов, он остановился на многогранном золотом каркасе, расположенном между двумя слоями силикона. 

В движение каждый луч приводят около 200000 сердечных клеток, полученных из 2-дневных эмбрионов крысы. Силикон имеет шаблон, состоящий из внеклеточного белка, фибронектина [фибронектин синтезируется практически всеми видами клеток, за исключением некоторых видов нервных клеток. Это большой гликопротеин, присутствующий в организме большинства млекопитающих в виде двух форм – нерастворимая форма в виде фибриллярной сети на клеточной поверхности и во внеклеточном матриксе и в виде растворимой формы в крови], который направляет рост клеток, делая их похожими на мышцы в реальном луче.

Правда, нужно сказать, что команда Паркера не пыталась воссоздать мышечную структуру лучей в точности. «Они взяли за основу форму», – говорит Франк Фиш, биомеханик в Университете Вест Честер в Пенсильвании. Реальные лучи имеют два набора мышц внутри каждого грудного плавника, работающие в противоположных направлениях, чтобы перемещать плавник вниз, а затем вверх. Лучевой робот имеет только один набор мышц, которые сгибают ребра вниз, а натяжение золотого скелета тянет ребра обратно вверх.

Предполагалось, что клетки специально заразят вирусом, который внедрит ген, кодирующий молекулярный переключатель и модифицирующий сердечные клетки так, чтобы они сокращались при воздействии синего света. Но, чтобы воплотить эту идею в реальность, понадобились месяцы тонкой настройки. Чтобы просто заставить роботизированный луч двигаться вперед, когда на него воздействуют синим светом, Парку понадобилось 200 попыток. В конце концов, он построил более 100 роботов и доказал, что они могут перемещаться под водой преодолевая препятствия.

Для того, чтобы заставить работать конечности поочередно, Парк направляет луч с двумя источниками света, по одному на каждый плавник. Изменение частоты света замедляет или ускоряет скорость сжатия, а заставляя одну сторону сокращаться быстрее, чем другую, он направляет робота влево или вправо. К сожалению, лучевые роботы двигаются со скоростью только около 9 м/ч и маневрируют довольно медленно, если их сравнивать с реальными скатами.

До сих пор неясно, останется ли данный подход на уровне практических экспериментов с роботами или приведет к созданию истинного интереса Паркера: живого искусственного сердца. «Лучевой робот на самом деле не особенно связан с работой сердца, особенно потому, что сердечные мышечные клетки используются довольно неестественным способом», – говорит Денис Бакстон. Но прикладной физик из Гарварда не оставляет надежд.