Робот на живых мышцах: ученые MIT создали миниатюрное устройство, способное плавать под водой

Американские инженеры разработали необычного микроробота, который передвигается в воде благодаря сокращению живых мышечных клеток. Его движениями можно управлять с помощью света. В перспективе подобные биогибридные устройства смогут исследовать хрупкие экосистемы и работать там, где обычная техника оказывается слишком громоздкой или опасной.

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) представили миниатюрного плавающего робота, который использует не электромоторы и механические приводы, а живую мышечную ткань. Как сообщает научное издание ScienceDaily, устройство способно самостоятельно двигаться и менять направление под воздействием световых импульсов.

Разработка открывает новые возможности для биогибридной робототехники — перспективного направления, объединяющего инженерные конструкции с живыми клетками и тканями. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Как заставить робота двигаться с помощью света

В основе устройства лежит гибкий гелевый каркас размером примерно с жевательную резинку. Он образует две небольшие плавниковые поверхности, покрытые тонким слоем живых мышечных клеток. Толщина клеточного слоя значительно меньше толщины человеческого волоса.

Ученые генетически модифицировали клетки таким образом, чтобы они сокращались при воздействии света. Когда исследователи направляют световой импульс на один из плавников, мышечная ткань сокращается и заставляет его двигаться. Реактивное движение плавников обеспечивает продвижение робота в воде.

При этом каждый плавник можно активировать независимо. Освещая одну или обе стороны устройства, инженеры управляют направлением и скоростью движения.

В ходе экспериментов робот успешно проплыл через простейший подводный лабиринт, обходя расположенные на его пути препятствия. Максимальная скорость составила примерно четыре длины корпуса в минуту. Это немного по сравнению со скоростью человека, но вполне достаточно, чтобы подтвердить работоспособность самой концепции.

По словам руководителя исследования Риту Раман, доцента кафедры машиностроения MIT, устройство развивает значительное усилие с учетом своих крошечных размеров.

Почему ученым пришлось изменить конструкцию

Нынешняя разработка стала продолжением предыдущих экспериментов лаборатории Раман, в которых исследователи создали искусственную мышцу, напоминающую радужную оболочку человеческого глаза.

Однако для полноценного плавания требовалось добиться более мощных и согласованных сокращений клеток.

Главная трудность заключалась в материале, на котором выращивалась мышечная ткань. Использовавшийся ранее фибрин оказался слишком мягким и быстро деформировался под воздействием сокращающихся клеток.

Инженеры испытали различные варианты гелевой основы, изменяя ее состав, жесткость и геометрию поверхности. В результате они остановились на желатинметакрилате — материале, применяемом в тканевой инженерии.

Выяснилось, что более жесткая основа помогает клеткам выстраиваться в одном направлении и формировать мышечные волокна, способные сокращаться согласованно. Дополнительную роль сыграли специальные квадратные канавки на поверхности геля, направляющие рост клеток.

Толщину основы подобрали так, чтобы конструкция оставалась достаточно прочной, но не мешала мышцам двигаться.

Перед сборкой робота исследователи также многократно стимулировали клетки светом, своеобразно тренируя мышечную ткань и повышая эффективность ее сокращений.

Для чего пригодятся биологические роботы

Главное преимущество таких устройств — сочетание гибкости, компактности и способности использовать свойства живых тканей.

Обычные роботы часто оснащены жесткими корпусами, двигателями и другими механическими элементами. При работе в сложной среде они могут повреждать хрупкие объекты или сами выходить из строя. Биогибридные конструкции потенциально способны действовать деликатнее.

Кроме того, живые ткани обладают способностью к восстановлению. Если ученым удастся обеспечить сохранение жизнеспособности клеток и их регенерацию в составе устройств, это может помочь создавать роботов, способных восстанавливать отдельные поврежденные элементы.

В будущем подобные системы рассматриваются в качестве потенциальных инструментов для экологического мониторинга водоемов и исследования чувствительных природных сред. Миниатюрные устройства могли бы перемещаться в местах, где применение традиционных аппаратов затруднено.

Впрочем, до практического использования еще далеко. Нынешний робот остается экспериментальным прототипом: исследователям предстоит увеличить скорость его движения, усовершенствовать конструкцию и разобраться с ограничениями, связанными с поддержанием живой мышечной ткани.

Шаг к машинам нового типа

Работа ученых MIT демонстрирует, что для создания движущихся устройств не всегда нужны традиционные двигатели. При правильно подобранных материалах и геометрии даже тонкий слой живых клеток способен выполнять механическую работу.

Следующий этап исследований — разработка более эффективного корпуса, который позволит роботу плавать быстрее. В дальнейшем ученые рассчитывают расширить функциональность подобных систем и приспособить их для выполнения более сложных задач.

Пока биогибридные роботы остаются лабораторной технологией. Однако сочетание живых тканей и инженерных конструкций постепенно превращается из научной концепции в работающую экспериментальную платформу. И однажды именно такие крошечные машины могут оказаться полезнее традиционных роботов там, где особенно важны мягкость, точность и бережное взаимодействие с окружающей средой.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что роботы и видимый свет помогли автоматизировать синтез молекул для исследований