Шагающий биомеханизм создан из напечатанных на 3D-принтере элементов и искусственно выращенных скелетных мышц

Рис. 1. Конструкция шагающего биомеханизма

Рис. 1. Конструкция шагающего механизма напоминает две части конечности, соединенные суставом. Роль «костей» и «сухожилий» выполнила деталь, напечатанная на 3D-принтере, мышцы были выращены в лабораторных условиях из мышиных миобластов. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье

Американские исследователи сконструировали простейший шагающий механизм, воспроизводящий устройство двух частей конечности, соединенных суставом. Сокращения мышцы обеспечиваются двумя «ножками», присоединенными своими концами к гибкой пластине. Передвигается это простое устройство под действием электрических импульсов, которые с определенной частотой подаются в питательную среду, в которой оно находится.

Мы привыкли думать о роботах как о сложных металлических конструкциях со строго контролируемым и предсказуемым поведением. Для создания таких машин используются традиционные методы производства, а методики и подходы к работе с материалом могут быть позаимствованы у автомобильной промышленности и электроники. Однако металлические роботы не способны справиться с целым рядом деликатных задач (забавный пример — так и не решенная проблема с автоматизацией упаковки яиц). Помимо трудностей с выполнением отдельных задач у металлических роботов существуют и более глобальные проблемы, препятствующие их широкому внедрению. В частности, жесткий корпус делает конструкцию робота прочной и надежной, но не безопасной для окружающих его живых существ. Появление металлических роботов в квартирах и офисах могло бы потребовать создания сложной системы передвижения, аналогичной системе автомобильных дорог, и даже введения соответствующих правил движения. Другая принципиальная проблема с такими роботами — трудность создания большого числа степеней свободы. Движения металлических роботов всё еще остаются достаточно примитивными, так что развитие «тел» роботов пока существенно отстает от уровня развития их «мозгов», которые программисты уже способны научить мыслить достаточно гибко.

На фоне всго этого новая ветвь развития робототехники — создание мягких роботов с гибкими корпусами, не имеющими жестких шарнирных конструкций внутри, — выглядит достаточно перспективной. Многие конструкторы таких роботов черпают вдохновение у природы. Так, итальянские исследователи создали искусственные аналоги щупалец осьминога, а американские ученые недавно сконструировали мягкого робота-рыбу, передвигающегося за счет подачи разных порций углекислого газа в полости его тела.

Развивается и еще более интересный подход к созданию мягких роботов: биоинженерия с использованием искусственно выращенных тканей. Таким способом уже была получена искусственная медуза, созданная из выращенной на силиконовой основе сердечной мускулатуры. Однако ввиду своей способности сокращаться самопроизвольно, сердечная мускулатура не является лучшим материалом для создания роботов с контролируемым поведением. Более перспективным представляется использование скелетной мускулатуры, предназначенной природой для совершения произвольных движений, в том числе — и сознательно контролируемых.

Американские исследователи из нескольких университетов выбрали для своего биомеханизма максимально простую конструкцию, фактически воспроизведя устройство двух частей конечности, соединенных суставом (рис. 1). Сокращения мышцы, присоединенной своими концами через две «ножки» к гибкой пластине, изгибают ее. Если «ножки» имеют разную длину, то после расслабления мышцы конструкция делает шаг в направлении более короткой «ножки». «Ножки», соответствующие сухожилиям сустава, и соединяющую их пластину, соответствующую костям в суставе, заменяла собой единая деталь, напечатанная на 3D-принтере из гидрогеля, причем часть, соответствующая костям, была сделана менее гибкой, а части, соответствующие сухожилиям, — более гибкими.

Затем между «ножками» механизма нанесли суспензию миобластов мыши в геле, содержащем компоненты природного межклеточного матрикса: ламинин, энтактин, коллаген, фибриноген и тромбин. Для нормального функционирования искусственных мышц также оказались необходимы инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) и ингибиторы протеаз — выделяемых клетками ферментов, которые могли бы нарушить структуру искусственного матрикса вокруг них. В таком матриксе клетки могут размножаться, а структура получившейся мышцы оказыватся достаточно гибкой для ее сокращения. Варьируя концентрации клеток и компонентов матрикса в суспензии, можно влиять на свойства мышцы, а изменение количества IGF-1 в среде влияет на скорость ее созревания. Важно, что при отсутствии сосудов в такой простой системе можно получить лишь достаточно тонкую мышцу, иначе доступ кислорода к клеткам в ее центральной части будет затруднен (рис. 2).

Рис. 2. Выращивание искусственной мышцы для биомеханизма

Рис. 2. Выращивание искусственной мышцы для биомеханизма. Длина масштабных линеек 1 мм. Рисунок из обсуждаемой статьи

Передвигается это простое устройство под действием электрических импульсов, которые с определенной частотой подаются в питательную среду, в которой оно находится. К устройствам на основе скелетных мышц можно применять и другие методы управления, например оптогененетический, когда сокращения мышц запускаются воздействием света с определенной длинной волны (см. Mahmut Sakar et al., 2012. Formation and Optogenetic Control of Engineered 3D Skeletal Muscle Bioactuators). Для этого мышцы нужно выращивать из миобластов, в которые введен ген катионного канала родопсина-2, запускающего в клетку катионы при воздействии голубого света. Когда в клетку входят катионы кальция, мышца сокращается.

Контролируемые внешними сигналами биороботы являются перспективными объектами для будущих разработок. В данном случае интерес представляет простота модели; однако модель может быть усложнена: например, путем добавления других типов клеток. Хорошо бы еще было добиться роста сосудов, чтобы можно было увеличивать толщину мышц, а также иннервации, что дало бы невероятно интересные перспективы получить реагирующих на внешние стимулы биороботов. С иннервацией искусственных тканей дела пока обстоят сложно, зато с ростом сосудов в искусственных органах есть определенные успехи (см. Выращенный в лаборатории зачаток печени превратился в организме мыши в функционирующий орган, «Элементы», 28.08.2013).

Рис. 3. «Многоножки» на основе соединения нескольких шагающих модулей

Рис. 3. «Многоножки» на основе соединения нескольких шагающих модулей. Длина масштабных линеек 2 мм. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье

Из подобных простых модулей можно также собрать забавные многоногие биомеханизмы, эскизы которых авторы прилагают к своей статье (рис. 3). 3D-печать уже распространена достаточно широко, и, возможно, не за горами времена, когда кружки занимательной биоинженерии появятся в каждой уважающей себя школе.

Источник: C. Cvetkovic et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle // PNAS. 2014. DOI:10.1073/pnas.1401577111.

Юлия Кондратенко


16
Показать комментарии (16)
Свернуть комментарии (16)

  • feb7  | 25.07.2014 | 03:21 Ответить
    Браво, браво, Юлия. Вы не технарь по-образованию? Ваша статья выглядит удивительно правильно в техническом смысле, в отличие от вызвавшей глумление у прекрасной (мужской) половины читателей статьи Елены Наймарк про роботов-термитов.

    Каюсь, я к ее Елениным "хваталкам" и "держалкам" тоже часть сарказма приложил.
    Ответить
    • Julie K > feb7 | 25.07.2014 | 10:19 Ответить
      Спасибо за высокую оценку) По образованию я - молекулярный биолог.
      Ответить
      • Aab > Julie K | 25.07.2014 | 13:05 Ответить
        По поводу забавной проблемы упаковки:
        http://www.sanovogroup.com/media/-300010/files/Farmpacker_40_-_STAALKAT_-_Russian_-_p______.pdf
        Исправьте, пожалуйста, это место в Вашей статье или прокомментируйте мой пост.

        Спасибо.
        Ответить
    • niki > feb7 | 25.07.2014 | 11:22 Ответить
      Глумления у мужской половины не было. Было глумление у маргинальной группы формалистов.
      Ответить
      • feb7 > niki | 26.07.2014 | 11:18 Ответить
        Не льстите мне тут, что люди подумают )))
        Ответить
  • willmore  | 25.07.2014 | 09:50 Ответить
    На рисунках не указан масштаб. Какого размера робот?

    UPD
    Нашел в дополнительных материалах оригинала: размер одного модуля с двумя ножками 3х6 мм.
    Ответить
    • Julie K > willmore | 25.07.2014 | 10:23 Ответить
      Все верно. В статье также есть картинки готового робота с масштабом, по которым видно, что его длина - примерно 7мм. Извините, что не указала ничего про размеры робота, это действительно интересная информация.
      Ответить
      • нoвый учaстник > Julie K | 26.07.2014 | 08:58 Ответить
        там на каждом рисунке масштабная линейка, можно просто в подписи указать, что это 1 мм
        Ответить
  • Aab  | 25.07.2014 | 13:36 Ответить
    "[...] и, возможно, не за горами времена, когда кружки занимательной биоинженерии появятся в каждой уважающей себя школе". op.cit.

    Да-да-да! А кружки молодых задорных биологов получат возможность приобретать наборы "Юный генетик" - тогда пойдёт уж музыка не та, тогда у нас запляшут лес и горы.

    Горизонт сингулярности Homo S.S. подкрадывается незаметно, хоть и виден уже издалека. С нетерпением жду. (Дожить бы до этого веселья, ну а "после Нас - хоть Апоп" (с) Эхнатон.)
    Ответить
    • etaoinshrdlu > Aab | 25.07.2014 | 16:25 Ответить
      Уильям Тенн. Игра для детей. 1947 г.
      Ответить
      • Aab > etaoinshrdlu | 26.07.2014 | 00:53 Ответить
        Ну, подумаешь, ну соберут детки копию своей биологички-стервы тёти Тины - директор школы разберётся, какая из них настоящая.

        Главное, чтоб предварительно тренировались на эшерихии коли, а не на эболавирусах.

        PS Не читал этот рассказ, прочёл с удовольствием. Спасибо за наводку.
        Ответить
  • blackjack  | 25.07.2014 | 15:56 Ответить
    Я прогресс всегда приветствую, но от этой статьи немного не по себе стало. :)
    Ответить
  • awn-wgg  | 28.07.2014 | 21:57 Ответить
    О механизмах. Как-то пару лет назад была информация о использовании механического манипулятора с управлением мыслями. То есть с головного мозга снимается энцефалограмма, а оператор пытается управлять манипулятором мыслями. За определённое время это всем удаётся. При управлении вручную манипулятор дёргался и качался. Как получалось у операторов, не помню. Кажется, не очень. Исследователи попробовали научить пользоваться манипулятором обезьяну. И она научилась. При этом манипулятор двигался плавно и без рывков. Фактически он стал для обезьяны пятой конечностью. Вывод. То, как ведёт себя техника, зависит от качества управления ей.
    Второе. Результаты, конечно, интересные. Но мышечная ткань в качестве привода совсем не лучшее решение. Механизмы имеют много больший КПД, намного большие мощность и быстродействие, которых никогда не сможет достичь биологическая ткань.
    Ответить
    • нoвый учaстник > awn-wgg | 29.07.2014 | 14:42 Ответить
      >>Второе. Результаты, конечно, интересные. Но мышечная ткань в качестве привода совсем не лучшее решение. Механизмы имеют много больший КПД, намного большие мощность и быстродействие, которых никогда не сможет достичь биологическая ткань.

      Неделю назад ударил по пальцу молотком. Было очень больно, отек, кровоизлияние, палец не гнулся... А сейчас все прошло. Когда там у вас самочинящиеся механизмы появятся?
      Ответить
      • awn-wgg > нoвый учaстник | 29.07.2014 | 21:53 Ответить
        Это совсем другой сложный вопрос. Очень тупой на уровне обывателя ответ: смотрите фильмы о трансформерах. И второе. А зачем нам нужны механизмы способные к самовосстановлению? Высокие технические характеристики как раз и достигаются за счёт ограничения живучести. Если снабдить самолет механизмами восстановления повреждений корпуса, он не сможет перевозить ничего, кроме себя самого.
        Ответить
        • нoвый учaстник > awn-wgg | 29.07.2014 | 22:33 Ответить
          >>Очень тупой на уровне обывателя ответ: смотрите фильмы о трансформерах.

          Этот пласт культуры мимо меня прошел, к сожалению, но подозреваю, что в реальном мире таких технологий как в кино пока нет. А пальцы - вот они, все работают.

          >>А зачем нам нужны механизмы способные к самовосстановлению?

          Например, для работы в условиях отсутствия/невозможности обслуживания, очевидно, вроде бы.
          Не везде нужны самолеты. Для каких-то задач и мышца вполне подойдет, и даже лучшим решением окажется.
          Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»