До синтетичної медузи, створеної кілька років тому, додався синтетичний скат - невеликий робот, зроблений із силікону, золота і живих клітин серця.
Кілька років тому Кевін Кіт Паркер (Kevin Kit Parker) і його колеги з Гарварда зробили штучну медузу з силікону і серцевих клітин щура. Моделлю тоді стала вухата аурелія, куполоподібна медуза з Чорного і Середземного морів, яка рухається, схлопуючи тіло-купол за допомогою шару м'язових клітин - викидається потік води штовхає медузу вперед.
Щоб відтворити в загальних рисах будову медузи, дослідники вирощували серцеві клітини щура на шарі полімеру полідіметилоксану, який спрямовував і організовував ріст клітин. Коли конструкцію поміщали в електричне поле, м'язові клітини скорочувалися, а еластична силіконова підкладка розтягувала м'язовий шар назад.
Поміщена в розчин між двома електродами штучна медуза, яку назвали медузоїдом, рухалася, як справжня - потоки води навколо медузоїду вели себе точно так само, як якщо б це плавала справжня аурелія. (Відео з плаваючим «серцево-полімерним» кіборгом можна подивитися тут.)
У новій статті в Science Кіт Паркер та інші дослідники з Гарварду, Стенфорда і південнокорейського Університету Соген описують нового робота, якого цього разу зробили у формі ската і який виглядає і рухається набагато складніше, ніж медузоїд.
Вибравши в якості нової моделі ската, належало в деталях з'ясувати, як влаштовані його мускули і як з їх допомогою скат рухає плавниками - а рухає він ними досить затейливо: по кожному плавнику спереду назад пробігає хвиля, і ця хвиля рухає рибу вперед.
Потім настав час робити робота. Загальний принцип був той же, що і в медузоїді: м'язові клітини, підтримувані силіконом, однак у разі ската, щоб адекватно скопіювати його рухи, потрібно було ввести ще й більш жорсткий скелет, зроблений із золота: від його серцевини в плавники відходили відростки, що нагадують справжні промені в риб'ячих плавниках.
На силіконові крила робота посадили 200 000 серцевих клітин, взятих біля дводенного ембріона щура. Ефективність м'язової роботи залежить від того, як орієнтовані клітини, тобто в якому напрямку вони скорочуються, і, щоб клітини в синтетичному «скаті» працювали так, як треба, їх зорієнтували за допомогою додаткового білкового покриття.
У справжніх скатів у плавниках є два шари м'язів, що скорочуються в протилежних напрямках: вони вигинають плавник вгору, інші вниз. У роботі ж обійшлися одним шаром м'язових клітин, які гнули еластомірний плавник вниз, а вгору його тягнули відростки жорсткого золотого скелета. Щоб рухи були схожі на те, як рухається справжній скат, клітини виклали змійкою, яка згиналася від країв плавника до середини робота.
Як його змушували рухатися? За допомогою світла: м'язові клітини оптогенетичними методами модифікували так, щоб вони скорочувалися у відповідь на світловий імпульс. (Докладно про оптогенетику можна почитати тут.)
«Ската» освітлювали спереду, клітини починали по черзі скорочуватися, по еластичному плавнику пробігала хвиля, і робот рухався вперед. Джерело світла було подвійним, по лампочці на лівий і правий плавник; якщо потрібно було повернути ліворуч або праворуч, включали тільки одну лампочку, якщо потрібно було плисти прямо, включали обидві, змінюючи частоту світлових імпульсів, можна було міняти швидкість робота. Коротко схему пристрою ската-кіборга і те, як він плаває, можна подивитися на відео авторів роботи (в ролику маленький прозорий скат майже непомітний, і за ним можна стежити тільки по його золотому «скелету»).
Тим, кому вже представляються гігантські роботи, зроблені в розмір скатів манта і борознячі простори Світового океану, доведеться почекати. По-перше, для того, щоб клітини жили і скорочувалися, їм потрібне особливе середовище, так що робот плаває поки тільки в особливому поживному розчині, який до того ж підігрівають до температури тіла щура (адже клітини, як ми пам'ятаємо, щурячі).
По-друге, рухається робот дуже повільно: за годину його можна змусити проплисти не більше 9 метрів. Швидше такі пристрої - і медузоїд, і скат - знадобляться в медичній біоінженерії: можливо, за допомогою такої технології в майбутньому можна буде робити штучні м'язи замість хворих і штучні заплатки для серця, що переніс інфаркт.
За матеріалами Science.