Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Электростимулятор мышц превратил медуз в скоростных киборгов

Nicole Xu , John Dabiri / Science Advances, 2020

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.