Двуногий биоробот включил мигалку и пошел

Американские инженеры разработали несколько моделей беспроводного биогибридного робота eBiobot, который двигается при помощи актуаторов на основе трансгенных мышц. Мышцы сокращаются при воздействии на них света определенной длины волны. Биобот разгоняется до 0,83 миллиметра в секунду, а его двуногая версия может изменять направление своего движения. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Science Robotics.

Миниатюризация роботов подталкивает инженеров к поиску новых типов актуаторов, так как привычные виды — например электродвигатели — сложно или даже невозможно установить на маленькие аппараты. Одним из кандидатов на эту роль могли бы стать биогибридные роботы, в которых для актуации применяются искусственно выращенные мышцы. Работа над ними ведется уже какое-то время. Например, исследователи из Токийского университета еще пять лет назад создали актуатор на основе миобластов мышечной ткани крыс, который способен поднимать небольшие грузы. Он состоит из рамы с закрепленной на ней парой мышц-антагонистов, активация которых происходит с помощью электрических импульсов, передаваемых через электроды.

Несмотря на простоту таких систем, у активации электричеством есть недостатки. Например, слабая избирательность — электрический ток может активировать не только целевые клетки, но и те, что находятся рядом с ними, нарушая их нормальную работу. Поэтому чтобы таким биоботам нашлось применение, например, в медицине, хорошо бы найти какой-то другой способ активировать их мышцы.

Техника выборочной активации клеток в живых системах есть и давно применяется биологами — это оптогенетика. Для этого в геном целевых клеток внедряют ген ChR2 (канальный родопсин-2), который кодирует белок, чувствительный к синему свету с длиной волны около 480 нанометров. Полученные фоточувствительные ткани затем можно активировать, просто посветив на них.

По этому пути пошли исследователи из группы под руководством Рашида Башира (Rashid Bashir) из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне. Основываясь на своих более ранних разработках, они создали биогибридного робота eBiobot с актуаторами из светочувствительной мышечной ткани.

Основу робота составляет гидрогелевый скелет с двумя опорами. Вокруг последних наращивают мышцы, ткани которой охватывают опоры и соединяются в центральной части скелета, где установлена плата с принимающей антенной и пятью синими светодиодами.

Мышечная ткань выращивается из клеток стандартной для оптогенетики линии мышиных миобластов C2C12, чувствительных к синему свету. Воздействие света на такие мышцы заставляет их сокращаться. Что, в свою очередь, вызывает упругое сжатие гидрогелевого скелета в продольном направлении. После отключения светодиодов мышца расслабляется, а запасенная упругая энергия возвращает деформированный скелет к исходной форме.

Моделирование поведения актуатора при движении помогло инженерам найти ноге робота форму, которая позволяет ему делать достаточно длинный шаг при каждом сокращении мышц. Максимальная скорость биобота новой конструкции составила 0,83 миллиметра в секунду при мерцании светодиодов с частотой четыре герца и 50-миллисекундной длительности периодов освещения.

У робота нет собственного источника питания, он получает энергию для светодиодов через радиоволны на частоте 13,56 мегагерца. Катушка принимающей антенны располагается по периметру области со светодиодами. Пара передающих антенн-излучателей в виде двух колец располагалась сверху и снизу по диаметру экспериментальной емкости.

Контроллер устройства покрыт париленом, чтобы изолировать электрическую схему от жидкости, содержащей глюкозу, которая необходима для работы актуаторов.

Помимо одноногого робота, инженеры собрали и более сложный двуногий его вариант. Каждая его конечность представляет собой отдельный актуатор с конструкцией, описанной выше. Их соединяет мостик, на котором находится центральная плата управления с антенной и микроконтроллером. Через нее происходит управление и питание биоробота.

Схема позволяет задавать частоты мигания светодиодов на каждой ноге независимо друг от друга. За счет этого можно управлять направлением движения двуногого биобота. Например, чтобы повернуть направо, частоту мигания (а значит и частоту сокращений мышцы) на правой ноге снижают: тогда левая нога начинает делать больше шагов, чем правая, и робот поворачивает вправо.

На данный момент для работы искусственных мышц требуется поддерживать температуру окружающей среды равной 37 градусам Цельсия. В будущем, по словам разработчиков, возможно удастся использовать мышцы, выращенные из клеток насекомых. Это позволит актуаторам функционировать при комнатной температуре.

Широко применяемый на сегодняшний день в оптогенетике белок канальный родопсин 2 получают из одноклеточной водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Однако недавно японские исследователи из Осакского университета пришли к выводу, что светочувствительные белки комаров и миног также подходят для оптогенетической модификации нервных клеток. Исследователи создали трансгенных червей, которые двигались при включении зеленого света и оставались неподвижными под лучами фиолетовой части спектра.