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