30.08.2012

Живые мышцы пригодятся роботам

Исследователи из Массачусетского технологического института и Пенсильванского университета (оба — США) под общим руководством Гарри Асада создали искусственную мускульную клетку на основе генетически модифицированной клетки обычной мускулатуры.

Для управления сокращением-удлинением «новых» мышц используется пучок света.

Нацеливаясь на робототехнику, учёные выбрали скелетную (поперечно-полосатую) мышечную ткань: она состоит из мышечных волокон, составленных миосимпластами и миосателлитоцитами и покрытых общей базальной мембраной. Длина таких волокон не превышает нескольких сантиметров при толщине в 50–100 мкм. Именно она подходила больше всего, поскольку не только сильнее, чем ткани сердечной мышцы или гладкой мускулатуры (характерной для поверхности внутренних органов), но и, в отличие от сердечной мышцы, может управляться внешними импульсами.

Обычно в лабораториях импульсы от нервной ткани человека заменяют парой электродов, на которые подаётся напряжение. Но для робототехники это не очень приемлемо. Электроды нужно размещать в участках мышечной ткани с удручающей регулярностью, да и импульсы будут мешать работе остального электрооборудования робота. Оттого разработчики предпочли оптогенетику — новую дисциплину, созданную в 2005 году при участии того же Массачусетского технологического. Именно тогда нейроны были генетически модифицированы так, чтобы реагировать на короткие лазерные импульсы. В то время это нашло применение в опытах по стимуляции сердечной мышцы человека (вместо электроимпульсов).

Но и для робота это может быть выходом. Хотя нейронов в роботе нет, а для изменения клеток скелетной мускулатуры в подход пришлось внести ряд новаций. В культуре миобластов (клеток, из которых формируются мускульные волокна) были произведены генетические изменения, усиливающие выработку чувствительного к свету протеина. После сращивания миобластов в длинные волокна их освещали 20-миллисекундными импульсами синего света. При этом выяснилось, что импульсы не просто заставляют мышечные клетки сокращаться, но и делают это управляемо. Слабый импульс принуждает сокращаться только одно волокно, в то время как сильный — все сразу.

После этого первого в своём роде «беспроводного» опыта по управлению мышечной тканью исследовательская группа пошла дальше: волокна были интегрированы в гидрогель, формируя в паре с ним искусственную мышечную ткань. И она столь же хорошо управлялась лазерными импульсами, как и отдельные волокна.

Кроме того, выяснилось, что чем чаще измерялось усилие искусственной мышцы, тем сильнее она становилась: оперирование микромеханическим сенсором служило тренировкой, способствовавшей развитию волокон. В созданных гибких мышцах удалось добиться 120 степеней свободы при размерах менее 1 мм (рекордный результат для искусственных манипуляторов такого размера).

По мнению разработчиков, в будущем такие искусственные мышцы покажут себя, к примеру, в медицинских микророботах, способных путешествовать по кровеносным сосудам человека.

Отчёт о соответствующем исследовании в ближайшее время появится в журнале Lab on a Chip.

Александр Березин

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА