- 19,454
- 40
- 8 Ноя 2022
Учёные придумали, как защитить искусственные ткани от некроза — решение оказалось неожиданно гастрономическим.
Биогибридные роботы сочетают в себе биологические компоненты, такие как мышцы, растительные ткани и даже грибы, с небиологическими материалами. Мы уже научились создавать надежные искусственные части, но поддерживать органические компоненты в рабочем состоянии по-прежнему сложно. Именно поэтому роботы, использующие биологические мышцы, остаются небольшими и простыми — не больше пары сантиметров в длину, с одним или двумя движущимися элементами.
«Увеличение размеров биогибридных роботов — сложная задача из-за слабой сократительной силы лабораторно выращенных мышц, риска некроза в толстых мышечных тканях и трудностей при интеграции биологических приводов с искусственными структурами», — объясняет профессор Токийского университета Сёдзи Такэути. Он и его команда разработали полноразмерную биогибридную руку длиной 18 сантиметров, в которой все пять пальцев работают на выращенных в лаборатории человеческих мышцах.
<h3>Проблема выживания</h3> Одной из главных трудностей при создании крупных биогибридных роботов остаётся некроз — отмирание клеток из-за нехватки кислорода и питательных веществ. В лабораторных условиях мышцы выращиваются на питательной среде, которая снабжает их всем необходимым. Пока ткани остаются тонкими и плоскими, проблема отсутствует — каждая клетка получает достаточно кислорода.
Но как только мышцы становятся толще и мощнее, клетки в глубине теряют доступ к питательным веществам и погибают. В живых организмах эту задачу решает система кровеносных сосудов, но в искусственно выращенных тканях её пока создать не удаётся. Такэути и его команда нашли обходное решение — «суши-рулоны».
Исследователи начали с выращивания тонких мышечных волокон, уложенных рядом на чашке Петри. Это позволило им получать кислород и оставаться здоровыми. Когда мышцы достигли нужного размера, их свернули в цилиндрические структуры, названные MuMuTA (multiple muscle tissue actuators — многослойные мышечные приводы). «MuMuTA создавались из тонких мышечных слоёв, свернутых в цилиндры, что улучшало их сократительную способность и позволяло кислороду проникать внутрь», — объясняет Такэути.
Движение в MuMuTA запускалось с помощью электрических импульсов, подаваемых через электроды на концах. В зависимости от того, какие волокна сокращались, такие «мышечные роллы» могли сгибаться или вращаться. Интенсивность сокращения контролировалась изменением напряжения.
После успешных испытаний MuMuTA исследователи использовали их для управления пальцами биогибридной руки.
<h3>Камень, ножницы, бумага</h3> Рука была напечатана на 3D-принтере из пластика и подвешена в жидкой среде. Каждый палец состоял из трёх суставов, а управление осуществлялось с помощью тросов, соединённых с MuMuTA, которые располагались в предплечье. Чтобы минимизировать влияние электрических полей, приводы поместили в стеклянные контейнеры, а затем прикрепили к пластиковому каркасу.
Когда исследователи сокращали разные MuMuTA, рука могла выполнять различные жесты, включая знаки из игры «камень, ножницы, бумага», а также удерживать предметы, например пипетку. Главным преимуществом MuMuTA оказалась их сила: каждый привод развивал 8 миллиньютонов — этого достаточно, чтобы поднять скрепку. Кроме того, мышцы можно было разворачивать после использования, обеспечивая им доступ к кислороду и питательным веществам, что продлевало срок их службы.
Но без недостатков не обошлось. Во-первых, пальцы могли сгибаться только в одну сторону — мышцы сокращались, но для возвращения в исходное положение приходилось полагаться на плавучесть материала. В человеческой руке этот вопрос решён антагонистическими мышцами, работающими попарно. Такэути предложил два варианта решения: использование эластичных материалов в суставах для упругого возврата или добавление пяти дополнительных MuMuTA для двустороннего движения.
Вторая проблема — рука могла работать только в жидкой среде. Для того чтобы перевести её в сухие условия, потребуется создать искусственную систему подачи питательных веществ и защитные структуры для поддержания жизнеспособности тканей.
Но самой очевидной нерешённой проблемой биомышц остаётся усталость.
<h3>Биогибридные роботы нуждаются в тренировках</h3> Во время испытаний выяснилось, что при интенсивной нагрузке сила сокращения MuMuTA снижалась уже через несколько минут. После 10 минут работы мышцы уставали, а восстановление занимало около часа. При этом в лаборатории эти ткани не испытывали и близко таких нагрузок, как настоящие человеческие мышцы.
Максимальная удельная сила сокращения, достигнутая в эксперименте, составила 0,7 миллиньютонов на квадратный миллиметр — это хороший показатель для лабораторных мышц, но всего лишь около 12% от показателей живых тканей (6 миллиньютонов на квадратный миллиметр).
Такэути считает, что решением может стать физическая тренировка. «Как и натуральные мышцы, искусственные могут улучшать выносливость и силу при регулярных упражнениях», — предполагает он.
Другой вариант — использование химических факторов роста для усиления сокращений. Это уже больше похоже на «допинг» для биогибридных мышц.
Работа Такэути и его команды опубликована в журнале Science Robotics: Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся
Биогибридные роботы сочетают в себе биологические компоненты, такие как мышцы, растительные ткани и даже грибы, с небиологическими материалами. Мы уже научились создавать надежные искусственные части, но поддерживать органические компоненты в рабочем состоянии по-прежнему сложно. Именно поэтому роботы, использующие биологические мышцы, остаются небольшими и простыми — не больше пары сантиметров в длину, с одним или двумя движущимися элементами.
«Увеличение размеров биогибридных роботов — сложная задача из-за слабой сократительной силы лабораторно выращенных мышц, риска некроза в толстых мышечных тканях и трудностей при интеграции биологических приводов с искусственными структурами», — объясняет профессор Токийского университета Сёдзи Такэути. Он и его команда разработали полноразмерную биогибридную руку длиной 18 сантиметров, в которой все пять пальцев работают на выращенных в лаборатории человеческих мышцах.
<h3>Проблема выживания</h3> Одной из главных трудностей при создании крупных биогибридных роботов остаётся некроз — отмирание клеток из-за нехватки кислорода и питательных веществ. В лабораторных условиях мышцы выращиваются на питательной среде, которая снабжает их всем необходимым. Пока ткани остаются тонкими и плоскими, проблема отсутствует — каждая клетка получает достаточно кислорода.
Но как только мышцы становятся толще и мощнее, клетки в глубине теряют доступ к питательным веществам и погибают. В живых организмах эту задачу решает система кровеносных сосудов, но в искусственно выращенных тканях её пока создать не удаётся. Такэути и его команда нашли обходное решение — «суши-рулоны».
Исследователи начали с выращивания тонких мышечных волокон, уложенных рядом на чашке Петри. Это позволило им получать кислород и оставаться здоровыми. Когда мышцы достигли нужного размера, их свернули в цилиндрические структуры, названные MuMuTA (multiple muscle tissue actuators — многослойные мышечные приводы). «MuMuTA создавались из тонких мышечных слоёв, свернутых в цилиндры, что улучшало их сократительную способность и позволяло кислороду проникать внутрь», — объясняет Такэути.
Движение в MuMuTA запускалось с помощью электрических импульсов, подаваемых через электроды на концах. В зависимости от того, какие волокна сокращались, такие «мышечные роллы» могли сгибаться или вращаться. Интенсивность сокращения контролировалась изменением напряжения.
После успешных испытаний MuMuTA исследователи использовали их для управления пальцами биогибридной руки.
<h3>Камень, ножницы, бумага</h3> Рука была напечатана на 3D-принтере из пластика и подвешена в жидкой среде. Каждый палец состоял из трёх суставов, а управление осуществлялось с помощью тросов, соединённых с MuMuTA, которые располагались в предплечье. Чтобы минимизировать влияние электрических полей, приводы поместили в стеклянные контейнеры, а затем прикрепили к пластиковому каркасу.
Когда исследователи сокращали разные MuMuTA, рука могла выполнять различные жесты, включая знаки из игры «камень, ножницы, бумага», а также удерживать предметы, например пипетку. Главным преимуществом MuMuTA оказалась их сила: каждый привод развивал 8 миллиньютонов — этого достаточно, чтобы поднять скрепку. Кроме того, мышцы можно было разворачивать после использования, обеспечивая им доступ к кислороду и питательным веществам, что продлевало срок их службы.
Но без недостатков не обошлось. Во-первых, пальцы могли сгибаться только в одну сторону — мышцы сокращались, но для возвращения в исходное положение приходилось полагаться на плавучесть материала. В человеческой руке этот вопрос решён антагонистическими мышцами, работающими попарно. Такэути предложил два варианта решения: использование эластичных материалов в суставах для упругого возврата или добавление пяти дополнительных MuMuTA для двустороннего движения.
Вторая проблема — рука могла работать только в жидкой среде. Для того чтобы перевести её в сухие условия, потребуется создать искусственную систему подачи питательных веществ и защитные структуры для поддержания жизнеспособности тканей.
Но самой очевидной нерешённой проблемой биомышц остаётся усталость.
<h3>Биогибридные роботы нуждаются в тренировках</h3> Во время испытаний выяснилось, что при интенсивной нагрузке сила сокращения MuMuTA снижалась уже через несколько минут. После 10 минут работы мышцы уставали, а восстановление занимало около часа. При этом в лаборатории эти ткани не испытывали и близко таких нагрузок, как настоящие человеческие мышцы.
Максимальная удельная сила сокращения, достигнутая в эксперименте, составила 0,7 миллиньютонов на квадратный миллиметр — это хороший показатель для лабораторных мышц, но всего лишь около 12% от показателей живых тканей (6 миллиньютонов на квадратный миллиметр).
Такэути считает, что решением может стать физическая тренировка. «Как и натуральные мышцы, искусственные могут улучшать выносливость и силу при регулярных упражнениях», — предполагает он.
Другой вариант — использование химических факторов роста для усиления сокращений. Это уже больше похоже на «допинг» для биогибридных мышц.
Работа Такэути и его команды опубликована в журнале Science Robotics: Для просмотра ссылки Войди
- Источник новости
- www.securitylab.ru
