Биоинженеры создали микроробота с двигателем на базе живых мускулов

Американские биоинженеры впервые создали биобота — робота из искусственной мускульной ткани длиной почти в сантиметр, который передвигается как улитка. Данное изобретение, как считают авторы статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, открывает дорогу к созданию целого класса биомашин, обладающих высокой гибкостью и подвижностью.

С момента появления первых роботов в середине прошлого столетия, главной мечтой инженеров всегда было создание машины, которая могла бы исполнять все те физические или умственные задачи, которые может делать человек. По этой причине ученые десятилетиями изучают то, как работает наш мозг, руки и ноги в попытке создать их механический и электронный аналог. Решение этой задачи оказалось заметно сложнее, чем это виделось на заре кибернетики — робототехникам пока не удается создать полноценный искусственный интеллект, и конечности, которые не уступали бы в гибкости, точности и подвижности рукам и ногам человека.

Сегодня всю большую популярность приобретает идея создания принципиально иных роботов, совершенно не похожих на классических андроидов из романов Азимова или «Звездных войн». Образцом для них служит не человек, а различные животные, в том числе и самые примитивные беспозвоночные существа. Яркие примеры этого — летающий робот-«медуза», ползающий робот-спасатель, прообразом которого послужила морская звезда, а также робо-рыба, созданная в стенах Массачусетского технологического института.

Всех их объединяет то, что они являются так называемыми мягкими роботами — в них нет суставов или сочленений, они полностью состоят из гибких материалов. Такие машины обладают невероятно высокой гибкостью и неограниченным числом степеней свободы по сравнению с классическими роботами, а также заметно проще в изготовлении. Несмотря на столь большие плюсы, их развитию мешает один фатальный недостаток — инженерам пока не удалось создать аналога мускулов животных, из-за чего мягкие роботы буквальным образом прикованы к шлангам гидравлических или пневматических систем, без которых они не могут двигаться.

Рашид Башир из университета штата Иллинойс в Урбане (США) и его коллеги нашли неожиданное решение для этой проблемы — они не стали создавать механический аналог мускулов, а приспособили живые мышцы для работы внутри робота и научились управлять их сокращениями.

Как отмечают сами изобретатели, обычные мускулы, извлеченные из тела человека или животных, нельзя использовать для работы внутри мягкого робота, так как они не будут обладать нужной формой, силой и другими свойствами. Из-за этого биоинженерам пришлось создать целую технологию выращивания искусственных мышц произвольной формы из одиночных мускульных клеток.

Что интересно, мускулы выращиваются прямо на поверхности деталей будущего робота. Сначала ученые покрывают «неживые» части будущего робота особой микросеткой, изготовленной из волокон коллагена и фибрина, основных белков соединительной ткани у всех видов животных. Затем специальный 3D-принтер засеивает эту сетку миобластами — стволовыми клетками, готовыми превратиться в мускульную ткань — и обрабатывает пакетом гормонов, которые стимулируют их рост. Через несколько недель на месте белкового шаблона возникает настоящий мускул, сила которого будет зависеть от плотности ячеек, толщины коллагеновых «линий» между ними и других свойств сетки.

Используя эту технологию, группа Башира создала первый прототип биобота — микро-«улитку» длиной в шесть миллиметров и высотой в миллиметр, движением которой можно управлять при помощи электродов или электрического поля. Как и другие мягкие роботы, «улитка» оказалась чрезвычайно гибкой и управляемой, легко меняя направление движения по команде ученых. Скорость ее движения была достаточно низкой — всего 56 сантиметров в час, что в 90 раз медленнее бурой садовой улитки, «усейна болта» мира сухопутных брюхоногих моллюсков.

Тем не менее создатели биобота не отчаиваются и подчеркивают, что это лишь первый пробный шар в развитии новой технологии. Даже в этом состоянии она обладает ключевым преимуществом по сравнению с другими мягкими роботами — робот-улитка Башира и его коллег полностью автономна и не требует подключения к громоздкой и ненадежной гидравлике или пневматике. По словам инженеров, подобные автономные микро-роботы могут применяться для создания умных медицинских имплантов, систем ввода лекарств или для любых других целей.

В ближайшем будущем авторы статьи планируют создать новую версию синтетических мускулов, в которых будут присутствовать сосуды и двигательные нейроны. Это позволит заметно увеличить размеры биоботов, найти им более серьезное применение и в перспективе создать полноценную замену для поврежденных конечностей.