Электростимулятор мышц превратил медуз в скоростных киборгов

Американские инженеры создали медузу-киборга с вживленными электродами для стимуляции мышц. Эксперименты показали, что электростимуляция позволяет увеличить скорость движения медузы в 2,8 раза по сравнению с нормальным режимом плавания. Статья опубликована в Science Advances.

Успешные виды в процессе эволюции отлично приспосабливаются к среде обитания и вырабатывают эффективные методы передвижения. Инженеры часто пытаются воспроизвести строение и механизмы передвижения в роботах с помощью искусственных актуаторов, но пока даже передовые разработки наподобие летающих микророботов значительно уступают существам-прообразам. Есть и другой подход — использовать различные методы управления живыми существами с высокой эффективностью. Например, существуют успешные опыты по электрической и оптической стимуляции мышц насекомых, таких как жуки и стрекозы.

Николь Сюй (Nicole Xu) и Джон Дабири (John Dabiri) из Стэнфордского университета решили использовать этот подход для создания плавающего животного-киборга. В качестве модельного организма они взяли медузу вида ушастых аурелий (Aurelia aurita). Авторы отмечают, что у этого организма нет центральной нервной системы и ноцицепторов, поэтому эксперименты не причиняют страданий медузе.

В целом реакция сокращения мышц у медуз в ответ на электростимуляцию известна, но конкретные взаимоотношения между параметрами стимуляции и частотой сокращений у этого вида ранее не исследовались, поэтому инженеры провели эксперименты для поиска оптимальных параметров. В результате они выбрали прямоугольные импульсы продолжительностью 10 миллисекунд при напряжении 3,7 вольт и частоте от 0,25 до 1 герц. Импульсы создаются с помощью небольшого самодельного стимулятора с микропроцессором и аккумулятором, внедренного в манумбриум, и двумя парами электродов, вживленных в эктодерму с разных сторон. Кроме функциональных элементов стимулятор также состоит из пробки и набора шайб для создания нейтральной плавучести.

Изначально после внедрения стимулятора инженеры провели эксперименты без подачи напряжения и выяснили, что вживление устройства статистически незначительно влияет на частоту мышечных сокращений медуз (0,16 герц без стимулятора и 0,18 с ним). После этого они проверили возможность вынужденных сокращений. Оказалось, что при импульсах с 0,25 до 1,2 герц медузы реагировали соответствующим образом- сокращениями мышц такой же частоты. При повышении частоты импульсов ответная реакция начинала становиться менее регулярной и после 1,5 герц ни одна медуза не могла корректно реагировать на стимуляцию, хотя ранее считалось, что физиологический предел мышечных сокращений составляет 1,4 герц.

Исследователи также провели замеры скорости и эффективности плавания медуз со стимулятором. Замеры с помощью камеры и ярких маркеров на медузах показали, что максимальное увеличение скорости по сравнению с нормальной составляет 2,8 раза и достигается при частоте импульсов 0,62 герц. При такой частоте медуза двигается с относительной скоростью 0,43 диаметра тела.

Для измерения эффективности авторы собрали герметичный аквариум с датчиком кислорода на краю и еще одним, расположенным внутри купола медузы. Благодаря этому по изменению концентрации кислорода они смогли выяснить метаболические затраты на передвижение. Оказалось, что при частотах 0,25 и 0,5 герц затраты на движение возрастают вдвое по сравнению с нормальными затратами медуз этого вида. Авторы делают вывод, что стимулятор позволяет повысить скорость движения в 2,8 раза при увеличении затрат в 2 раза, что делает такое плавание более эффективным.

От редактора

Стоит отметить, что авторы исследования сравнивают максимальную скорость движения, полученную при частоте импульсов 0,62 герц, с максимальными метаболическими затратами, полученными при частоте 0,5 герц, тогда как для частоты 0,62 герц такие измерения не проводились. Если же сравнивать оба параметра при одинаковой частоте 0,5 герц, и скорость, и метаболические затраты вырастают примерно в два раза по сравнению с нормальным режимом движения.

В области биороботов есть и иное направление, в рамках которого исследователи выращивают из настоящих клеток роботов нужной формы. Например, американские ученые создали из генетически модифицированных клеток сердечной мышцы мышей небольшого искусственного ската, управляемого с помощью световых импульсов.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Пеночки с Аляски отдохнули в России по пути на зимовку на Филиппины и Палау

Орнитологи уточнили маршруты миграций пеночек-таловок с Аляски. Оказалось, что осенью эти птицы добираются до северо-востока России, а затем движутся на юг. После короткого отдыха на юге российского Дальнего Востока пеночки продолжают путешествие через Китай или Японию, чтобы добраться до Филиппин или островов Палау соответственно. Общая протяженность их осенней миграции составляет около 8500 километров. Результаты исследования опубликованы в Ecology and Evolution.