Робота из мышц и нейронов научили плавать под действием света
Американские ученые создали управляемого биоробота, состоящего из полимерной рамы, а также выращенных на ней клетках мышц и нейронов. Мышцы соединены с двумя плавниками и при сокращении приводят их в движение, а нейроны создают импульс для мышц под действием периодического облучения, рассказывают авторы статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Существует достаточно много работ, в которых ученые создают в качестве альтернативы моторам искусственные мышцы или другие необычные актуаторы, по своему принципу работы часто напоминающие органы живых существ. Однако помимо этого есть и направление, в котором ученые создают искусственные устройства на основе настоящих живых клеток. Например, в прошлом году из клеток крысиных мышц создали актуатор для подъема небольших грузов.
Одна из проблем таких разработок заключается в том, что обычно мышцы в них приводятся в движение с помощью прямой электростимуляции, что не всегда удобно, а также не позволяет создать автономного биоробота. В 2016 году американские ученые создали ската на основе модифицированных клеток мышц, способных сокращаться под действием света.
В новой работе ученые из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне под руководством Тахера Саифа (Taher A. Saif) создали биоробота с более сложной схемой управления: в нем излучение активирует нейроны, а импульс от них уже активирует мышцы. Процесс создания робота начинается с подготовки формы и рамы из полидиметилсилоксана. Она представляет собой прямоугольник с двумя параллельными ответвлениями равной длины. На них ученые наносили смесь, состоящую из мышиных миоцитов C2C12, а также коллагена первого типа и матригеля — смеси белков, часто используемой для формирования искусственного внеклеточного матрикса. В результате этого этапа ответвления рамы оказываются связаны между собой мышцами.
После этого на углубление в центре рамы наносится такая же смесь для формирования внеклеточного матрикса, но уже не с миоцитами, а с мышиными нейросферами, содержащими моторные нейроны. Они были получены из оптогенетически модифицированных эмбриональных стволовых клеток, благодаря чему они восприимчивы к облучению. Вся эта конструкция с нанесенными клетками двух типов была помещена в культуру, благодаря чему через несколько дней нервные клетки разрастаются в аксоны и формируют нервно-мышечные синапсы, позволяющие инициировать сокращение мышц через активацию нейронов.
Ученые провели испытания биоробота, в котором помимо рамы с выращенными клетками были прикреплены два плавника. При активации мышц с помощью облучения нейронов они сокращаются, из-за чего плавники сдвигаются друг к другу, а затем мышцы расслабляются и плавники двигаются в другую сторону. Во время испытаний робот размером около полутора миллиметров без учета плавников сумел развить скорость около 0,7 микрометров в секунду.
Ранее ученые создавали на основе живых клеток другие устройства, в том числе имитирующие работу базовых электронных компонентов. Например, в 2017 году две группы исследователей создали из клеток биологический аналог диода, а также простые логические схемы.
Григорий Копиев
И летать по заданной траектории
Инженеры разработали прототип миниатюрного орнитоптера под названием Bee++. В воздух он поднимается с помощью четырех крыльев, а его масса составляет 95 миллиграмм. Махолет управляется по тангажу, крену и рысканью и способен летать по заданной траектории. Статья с описанием робопчелы опубликована в журнале IEEE Transactions on Robotics. В последние годы становятся популярными разработки в области миниатюрных беспилотников, которые по размеру сопоставимы с насекомыми. Миниатюризация вынуждает инженеров отходить от ставшей уже классической схемы с воздушными винтами и электромоторами, так как использовать их эффективно в беспилотниках весом меньше грамма невозможно. Вместо этого инженеры используют схему орнитоптеров — летательных аппаратов, у которых подъемная сила создается за счет периодических взмахов крыльями. Для приведения их в движение обычно применяют пьезоэлектрические актуаторы, передающие усилие на крылья через механическую трансмиссию. Несмотря на то, что эта схема доказала свою работоспособность, большинство из созданных сегодня миниатюрных махолетов не имеют стабильного управления по оси рысканья. Эту проблему решили инженеры под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) из Университета штата Вашингтон. Они построили миниатюрный орнитоптер, который управляется по всем трем осям. Микроорнитоптер, названный Bee++, представляет собой улучшенную версию орнитоптера, представленную авторами в 2019 году. Так же, как и предшественник, Bee++ имеет четыре машущих крыла, приводимых в действие индивидуальными пьезоэлектрическими актуаторами, а его масса составляет 95 миллиграмм. Сверху и снизу на корпус установлены восемь защитных стержней, которые предотвращают махолет от ударов об окружающие предметы. Питание прототип получает через провода. Несмотря на то, что крылья не имеют механизмов управления углом установки, плоскости их движения имеют заранее определенный наклон. Благодаря этому удается создавать крутящий момент по крену, тангажу и рысканью за счет изменения амплитуды движения пар крыльев. Например, для того чтобы наклонить махолет вперед, амплитуда пары крыльев, расположенных в передней части уменьшается, вследствие чего снижается генерируемая ими тяга. В результате орнитоптер наклоняется заданном направлении. Аналогичным образом происходит управление по оси крена с помощью боковых пар крыльев. Для поворотов по оси рысканья изменяют амплитуду движения пар крыльев, расположенных по диагонали. Набор или снижение высоты происходит при увеличении или снижении частоты взмахов всех четырех крыльев. Инженерам удалось увеличить частоту движений крыльями, что привело к увеличению тяги на 125 процентов по сравнению с предыдущей версией робопчелы, которая могла лишь держаться в воздухе, но не имела достаточной тяги для управления рысканьем. В испытаниях робопчела продемонстрировала хорошую управляемость по оси рысканья и способность разворачиваться на угол 90 градусов за 50 миллисекунд со скоростью около 1800 градусов в секунду, что сравнимо с характеристиками мухи дрозофилы. Также робопчела успешно продемонстрировала способность удерживать положение корпуса по оси рысканья при одновременном перемещении по сложной траектории. По словам разработчиков в будущем в созданную ими платформу можно будет интегрировать сенсоры, которые позволят системе управления робопчелы ориентироваться в пространстве. https://www.youtube.com/watch?v=m9lLO1QpdcE Ранее мы рассказывали об инженерах из США, создающих крупные орнитоптеры, которые внешне похожи на птиц. Для этого они используют чучела настоящих животных. Корпус одного из прототипов покрыт перьями кеклика, а в его передней части находится голова чучела этой птицы, а во втором беспилотнике используются настоящие крылья голубя.