что такое киборги бионика
Бионические протезы: на что они способны, и когда мы станем киборгами?
Бионические протезы позволяют людям, оставшимся без ноги или руки, жить полноценной жизнью. Но по факту ими пользуются лишь 10% людей, лишившихся конечностей. Могут ли бионические протезы в будущем сделать из нас киборгов? И почему этого еще не произошло?
Как устроены бионические протезы?
Бионическим считается протез, который частично или полностью заменяет утраченный орган и выполняет его функции. Важно: к бионическим не относят косметические протезы, которые просто создают видимость руки или ноги. Например, рука, которая не двигается, а просто висит — это косметический протез. А если она может сгибаться и двигать пальцами — бионический.
Самые простые бионические протезы — механические: они сгибаются и разгибаются за счет оставшихся мышц. В более сложных используют датчики, которые реагируют на нервные импульсы и воспроизводят более сложные движения — даже мелкую моторику. Наконец, сейчас появились протезы, которые соединены с мозгом, и отвечают на его сигналы напрямую, минуя мышцы.
Но обо всем по порядку.
Эволюция бионических протезов
Первые протезы появились более 3 тыс. лет назад, в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы, которые защищали от мозолей при ходьбе в сандалиях.
В XVI веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, чьи пальцы сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с ее помощью он мог даже писать пером.
В XVIII—XIX веках в Викторианской Англии носили механические устройства, которые приводились в движение с помощью рычагов и гибких тросов. Протезы становились более функциональными — у них больше подвижных суставов — и эстетичными: их форма все больше похожа на настоящие конечности. Некоторые даже украшали чеканкой или гравировкой.
В XX веке протезы делают тяговыми: чтобы согнуть или разогнуть конечность, нужно потянуть за рычаг. На смену дереву и железу приходят облегченные металлы и пластик. В итоге протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной частью тела и здоровой. Пластиковые модели еще и выглядели максимально реалистично, помогая обладателю справляться со стеснением при ношении протеза.
Наконец, в 1958 году впервые прозвучал термин «бионический»: его придумал военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году в СССР разработали первую микроэлектрическую руку.
Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кейдин выпустил в 1972 году книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».
Первую бионическую руку в современном понимании этого слова сделали в 1993 году для Джона Кэмпбелла. Она приводилась в движение за счет датчиков, подсоединенных к мозгу и спрятанных под кепкой.
В 2007-м канадская Touch Bionics представила i-limb — первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, обладала тонкими пальцами и открывала больше возможностей для мелкой моторики: от работы с мышкой до завязывания шнурков. Протез крепится на гильзе, легко закручивается и откручивается.
В 2010-м компания BeBionic представила на Международном конгрессе по протезированию и ортопедии в Лейпциге первый серийный протез. А первый широко доступный — Symbionic Leg — выпустила в 2011-м исландская Össur. В 2013 году она дополнила модель микропроцессорным управлением: теперь протез подстраивался под походку своего владельца.
Следующим этапом стали протезы, управляемые при помощи мозга. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) испытала такой во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механических рук.
В 2018 году появились первые протезы для глаза — Argus II. Он помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.
Современные протезы используют разработки робототехники, умеют имитировать индивидуальные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходный этап: они не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физподготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.
Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)
В России бионическая рука обойдется от 100 тыс. до 1,5 млн руб.
Пока протезы так и не стали массовыми, а их разработки обходятся достаточно дорого, объединяя инженеров, биологов, медиков. При этом создаются протезы каждый раз индивидуально: гильза, к которой крепится бионическая рука или нога должна идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого приходится делать несколько моделей, а на тренировки и реабилитацию уходят недели.
В большинстве случаев протезы оплачивает страховая компания или государство — как в России. Но для этого нужно пройти много инстанций и медкомиссию, и выбор моделей будет очень узким.
Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей
В последние годы бионические протезы выполняют не только свою основную функцию — они стали чем-то большим: образом жизни, увлечением и даже модным аксессуаром.
Я — киборг: как живут люди с бионическими частями тела
Современные бионические руки и ноги — изделия индивидуализированные, производимые небольшими сериями и потому дорогие. Вероятно, их цена снизится после запуска крупносерийного производства или по мере того, как применяемые в них технологии будут становиться дешевле. Но пока нуждающимся приходится выбирать одну из нескольких моделей, которые стоят, как автомобиль среднего класса.
Руки:
Ноги:
Бионические протезы входят в социальные программы России, Украины и ряда других стран: их можно приобрести за счет государства. Но из-за дороговизны изделий это сложная и долгая процедура.
Роботизированные руки и ноги еще не научились считывать сигналы мозга и не полностью интегрированы в тело. Это скорее гаджеты, которые вечером снимают и ставят на зарядку. Но их конструкция и управление совершенны уже настолько, что пользователи быстро привыкают к ним и управляют ими на уровне рефлекса.
Благодаря протезу они могут выполнять до 90% привычных действий и жить полной жизнью. Поэтому они и называют себя «киборгами», ведь механическая конечность — продолжение их самих.
Robohunter побеседовал с четырьмя владельцами бионических протезов, чтобы узнать, чем живут современные киборги: где работают, чем увлекаются и о чем мечтают.
Константин Дебликов (Воронеж)
Бионические протезы у меня появились не от государства: получить их мне помогли десятки и сотни людей, которые поучаствовали в сборе средств, за что я всем очень благодарен. Но в процессе покупки и после нее я многое узнал о том, как устроена система получения протезов за государственный счет, и сейчас часто помогаю другим людям советами. Пока нет общественной организации, которая давала бы такие консультации, и я занимаюсь ее созданием.
Я определяю себя как киборга, и это вполне осознанно. Я считаю, что в России человеку с инвалидностью тяжело жить: много бытовых сложностей, негативная реакция общества. Мне кажется, нужно произвести «ребрендинг», уйти от определения «инвалид».
Совмещение проблемы людей с ограниченными возможностями и современных технологий приводит к роботизации человека — это я и называю «киборгом» и стараюсь всячески продвигать такое понятие. Люди должны не жалеть нас или отвергать, а просто видеть иное качество и, возможно, даже преимущество в будущем.
Я работаю в компании «Моторика», разрабатывающей биопротезы; был в числе организаторов соревнований «Кибатлетика». Часто выступаю на мероприятиях, даю интервью, стараюсь появляться на разных площадках.
Мы в «Моторике» делаем важное дело: работаем над детскими протезами. И это правильный тренд, потому что в России дети редко когда имеют возможность получить функциональный протез руки. То есть такой, который не просто будет закрывать недостаток, а даст возможность ребенку использовать вторую руку.
Мы популяризируем идею, что протезироваться нужно как можно раньше и обязательно — функциональными протезами. Такой протез — не просто некий «костыль», который дается ребенку, но и красивый гаджет. Благодаря этому ребенок становится более уверенным в себе.
Кибатлетику» мы решили устраивать, когда вернулись с аналогичных состязаний за границей. Нам стало понятно, что такие мероприятия меняют сознание самих людей, которые участвуют в этом: с протезами, колясками, экзоскелетами, нейроинтерфейсами и так далее.
Про свою личную мотивацию скажу (и это касается не только «Кибатлетики», но и всего в целом): я убежден, что люди с инвалидностью должны выходить из домов, появляться в СМИ, быть активными. Они должны получать нормальные средства реабилитации, которые им нужны. Должны общаться между собой, создавать комьюнити. Это поможет переломить ту ситуацию, которая есть сейчас: когда протезами рук обеспечена только треть тех, кому они необходимы.
В команде организаторов «Кибатлетики» я занимался пиаром (сайт, соцсети, приглашение участников). То мероприятие было первым. Провели мы его отлично, учитывая, что были стеснены в средствах, а сделать пришлось многое. Нам удалось провести качественное мероприятие для более чем 30 участников из разных городов России.
ы, современные киборги, являемся первопроходцами в области биотехнологий. Понятно, что мы находимся в начале пути: протезы не заменяют конечности на 100%, и заменят их нескоро. Но этот путь продолжается. И осознание того, что благодаря моей деятельности люди через пару десятков лет будут прекрасно себя чувствовать с суперклассными бионическими руками и ногами и даже получат реальные преимущества перед обычными людьми, радует меня, дает силы и надежду. Я убежден, что технология протезов с нейроуправлением — вопрос ближайшей пары десятилетий.
Ирина Скачкова (Липецк)
У меня высокотехнологичный протез бедра — модульный, с внешним источником энергии. Такие протезы помогают максимально приблизить ходьбу к естественной, дают свободу в передвижении, особенно при ходьбе по ступенькам и склонам. Сейчас я могу ходить попеременным шагом, и это разгружает мою здоровую ногу и спину, сокращает время движения и выглядит естественно. Ходить переставным шагом — это мука, это некрасиво и тормозит других прохожих, идущих следом.
На таком протезе я хожу всего пару месяцев и уже чувствую огромную разницу в том, как чувствует себя спина и здоровая нога, хотя считаю, что до этого у меня были также хорошие модульные протезы бедра, с хорошими гидравлическими коленами.
Все протезы я получала через государство, и этот тоже, но с огромными трудностями. На все ушло два года.
В 2015-м мне выделили смешную сумму для протезирования — она была меньше, чем стоимость протеза, на котором я уже ходила. Я всегда смеюсь, что мой рабочий стол стоит этих денег и с таким же успехом я могла отпилить от него ножку и приставить — ходить как пират. При этом я узнала, что в нашем городе выделено несколько протезов с внешним источником энергии — это миллионы рублей.
К сожалению, закон так прописан, что ФСС и местное протезное предприятие остаются ни при чем, а бионические протезы часто выдают людям, которые ими не пользуются. Как бы ни считали, что я наговариваю, но это факт. И он меня откинул еще на год.
Я начала заниматься всем самостоятельно, мне пришлось доказывать, что я молодая, активная, здоровая, работающая мать, одна воспитывающая ребенка, приносящая государству налоги, не алкоголичка и не наркоманка. На эту тему можно долго говорить, я очень жалею, что не снимала и не записывала все свои походы по всем инстанциям.
Думаю, многие представляют, что такое поликлиники и МСЭ. Каждая справка делалась вечность и с каким-то диким упорством от каждого, затягивалась выдача результатов, инстанции местного уровня не могли согласоваться с инстанциями Москвы. Любая причина считалась отказом: плохой анализ мочи, быстрый пульс (конечно, быстрый: такие нервы в кабинете), даже желание бегать. Выставлялось все так, как будто ты попрошайка.
Конечно, силы меня периодически покидали. Но на моем трудном пути попались отличные люди, которые связаны с протезированием и которые помогали мне как могли — и морально и советами. Когда МСЭ вынесла положительное решение, пришлось обзвонить, наверное, полгорода тех, кто переживал за меня. Сразу все сложности забылись, и на самом деле вспоминаются только сейчас, когда начинаешь об этом рассказывать.
аньше я не думала называть себя киборгом, просто не встречала такое наименование. Потом увидела в «Инстаграме» у известного пловца Дмитрия Игнатова видео о созыве киборгов на участие в первой «Кибатлетике» — и сразу решилась.
Киборг — отличное название, мне нравится: игриво и прикольно. Да, я считаю себя киборгом, мне кажется, мне подходит. И это круто: то ты просто хромающий человек, а теперь киборг — есть же разница?
Самое трудное для меня — ограниченный выбор занятий. Сейчас трудно заниматься бегом, который я очень любила, серфингом, сноубордом. Но стоять и ходить мне не тяжело: а автобусах все пытаются уступить место, а мне это иногда совсем ни к чему. Плавать тоже легко, но плаваю я без протеза.
Я работаю в сфере страхования. Главное увлечение — это дочка. Считаю, что у ребенка не должно быть свободного времени, а все ее занятия, естественно, требуют и моего времени. Люблю путешествовать, пытаюсь по возможности выезжать за пределы города, страны. Год назад начала заниматься полетами на параплане. Недавно села на велосипед. Также мы с друзьями часто встречаемся, ездим на фестивали и концерты.
Мотивацией к участию в «Кибатлетике» стало желание доказать, что я не зря тут протезы выпрашиваю. И я часто жалею, что не жила и не интересовалась социальной жизнью протезированных людей, стеснялась куда-то «лезть». Участие в «Кибатлетике» стало попыткой выйти из зоны комфорта. Так что я сняла видео, необходимое для участия, а дочку записала в волонтеры.
Александр Панкратов (Электросталь, Московская обл.)
Я получил протез через службу инвалидности стандартным способом: оформил документы, а государство купило протез. У меня это получилось достаточно просто: хоть протез и дорогой, спонсор оплатил мне половину его стоимости. То есть моя задача свелась к тому, чтобы получить компенсацию на вторую половину.
У меня протез I-Limb Quantum от компании OSSUR, самой полной комплектации. В нем 36 хватов. Есть и более простая модель I-Limb Access, в которой их всего 12, она попроще в обращении и более доступна по цене. Ее легко можно получить за государственный счет, даже без спонсорства.
Ощущаю ли я себя киборгом? Ну конечно! С такой-то рукой — Терминатор!
Что труднее всего делать с бионической кистью? С таким протезом, в общем-то, все легко. Я поднимаю гантели и мелкие предметы вроде карандашей, вилок, ложек — никаких проблем.
Механика руки элементарная: в нее встроен гироскоп, она реагирует на жесты и изменяет хваты. Ротор позволяет кисти вращаться на 360º. Со стороны кажется, что обращаться с протезом тяжело, но когда люди пробуют, они меняют свое мнение. Осваивать хваты очень легко — я давал его попробовать двум людям, и они были в восторге.
Я учусь на химика-технолога, третий курс. Насчет будущей профессии думаю так: либо техник в протезировании, либо тренер по плаванию или настольному теннису. Два последних варианта — дань моему увлечению: я давно занимаюсь и теннисом, и плаванием. Неофициально выполнил нормативы КМС по обоим видам (официально у меня первый взрослый разряд), но плавание все же люблю больше. А так занимаюсь любым спортом.
Денис Калинин (Томск)
За счет государства я получил только протез с гидравлическим коленным модулем, но благодаря работе у меня есть возможность примерять и тестировать бионические протезы.
Я работаю техником-протезистом в компании «Орто Космос» — это основной дилер Ossur в России. Изготавливаю протезы нижних конечностей.
Документы на бионический протез я подаю уже несколько лет, но пока получаю от Федерального бюро медико-социальной экспертизы сплошные отказы. Аргументируется это тем, что я и на гидравлическом протезе себя хорошо чувствую: работаю, вожу автомобиль, катаюсь на велосипеде, хожу без трости. Но если в заявке написать, что я еле двигаюсь на имеющемся протезе, мне все равно могут отказать под предлогом, что сперва мне необходимо освоить более простой модуль.
На самом деле протез с гидравлическим коленом тоже неплох и позволяет вести обычную жизнь, но бионический намного удобнее. Когда ты идешь на бионической ноге, ты не думаешь о каждой кочке и ступеньке: наступить или обойти? Ты просто двигаешься естественным образом. На гидравлике все эти мысли возвращаются. Это как с механической коробки передач пересесть на автомат, а потом — обратно.
Во время тестирования бионических протезов я заметил, что с ними все делать достаточно легко: это продолжение меня, которое я надеваю утром и снимаю вечером. Могу только отметить, что с ними неудобно купаться. Существуют специальные купальные протезы, но мне они не нравятся — хотя, возможно, я просто не нашел «свою» модель.
С протезом я живу полной жизнью, с семьей и детьми. Люблю активный отдых на природе, настольный теннис. Пробовал осваивать сноуборд — на гидравлике это не очень удобно, с электронным коленом должно получаться лучше. Мечтаю о спортивном протезе, на котором можно бегать. Раньше я занимался еще и футболом, но футболисты-ампутанты играют без протезов — на костылях.
На протяжении нескольких лет меня приглашают участвовать в проекте «Особая Мода» – продефилировать и показать одежду дизайнеров. Думал и сам выпустить какую-нибудь линейку, но, к сожалению, нет времени.
В этом году моя компания предоставила мне возможность съездить на «Кибатлетику», и там я не только поучаствовал в состязаниях, но и посмотрел на выставку и повстречался со многими друзьями-протезистами.
Большой физической нагрузки на «Кибатлетике» не ощущалось — нужно было пройти ряд заданий: подъем по ступенькам, проход по брусу, сервировка стола… В целом для меня все прошло без затруднений, несмотря на то, что я не облегчал себе задачу и преодолевал ступеньки на лестнице переменным шагом.
Биороботы: фантастика или реальность?
Биороботы: фантастика или реальность?
«Мы с тобой одной крови?» (Р. Киплинг, «Маугли»)
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: В данной статье подробно рассмотрены основные пути развития направления биоинжениринга по созданию биоботов и проанализированы уже имеющиеся в этой сфере достижения.
«Био/мол/текст»-2016
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2016.
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма «Атлас».
Ключевая особенность человека — жажда творить. На протяжении веков лучшие умы создавали нечто новое, меняя жизнь к лучшему, — когда плавно, когда кардинально. Изобретения, в свое время сотрясшие мир, казались несбыточной реальностью. Электричество, всемирная информационная сеть Интернет — теперь это наша обыденность, привычная и скучная. Уклад двадцать первого века схож с волшебством, фантастикой для предыдущих поколений. Возможно, и мы с таким же изумлением будем созерцать инновационные технологии, которые у наших внуков не будут вызывать и капли удивления. Бегут столетия, мир постоянно меняется, трансформируется. Только желание ученых постичь и создать нечто новое не ослабевает. Благодаря их стараниям то, что фигурирует в фильмах о будущем, скоро станет реальностью. Телепортация, полеты в космос сродни поездкам на автобусе — список можно продолжать бесконечно, пока не истощится воображение. Однако в этот раз мы поговорим о другом. О биороботах.
«Нет ничего более изобретательного, чем природа»
Трудно создать биологическую систему более совершенную, чем та, что уже существует в природе. В ней нет ничего лишнего, эволюция сделала все за человека — и ученым достаточно лишь внести свои коррективы в отлаженный временем механизм. Лаборатория iBionicS Университета Северной Каролины в 2012 году представила радиоуправляемого таракана (рис. 1). Принцип его действия заключается в воздействии на нервную систему через сенсоры-усики.
Рисунок 1. Сопоставление размеров модифицированного насекомого с монетой США номиналом 25 центов (диаметр — 2,4 см).
На спине насекомого закрепляли чип, подающий сигналы на антенны таракана и таким образом корректирующий траекторию его движения (видео 1). Перед учеными встала непростая дилемма: для успешной работы чипа требовались батарейки, которые значительно утяжеляли таракана. Было найдено изящное решение, которое можно назвать демонстрацией слаженной работы научных отраслей: с помощью физики удалось отыскать новое применение естественным биологическим процессам в организме таракана. При переваривании пищи таракан выделяет сахар трегалозу. На одном из электродов трегалоза раскладывается на две молекулы глюкозы. С помощью фермента гексокиназы происходит реакция фосфорилирования глюкозы и образуется глюкозофосфат. Эта реакция сопровождается выделением электронов, которые движутся ко второму электроду, то есть создают электрический ток. Ученым удалось добиться того, что таракан своей жизнедеятельностью сам и обеспечивает успешную работу чипа. Внедренные технологии удачно вписались в отлаженные эволюцией механизмы.
Видео 1. Движение радиоуправляемого таракана
В марте 2016 года было опубликовано другое исследование, также связанное с управлением насекомыми, но основанное на ином принципе. Группа ученых Наньянского университета работала с жуками Mecynorhina torquata [1]. Воздействие производили на группы мышц жуков, ответственные за движение лапок (рис. 2). То есть стимулировали опорно-двигательный аппарат, а не нервную систему.
Рисунок 2. Анатомия передней ноги жука. а — Мышцы верхней стороны тела жука. б — Мышцы с нижней стороны. Крестиками помечены группы мышц, стимулируемые электрическими импульсами.
Меняли очередность воздействия и его силу — таким образом регулировали скорость передвижения жука (рис. 3).
Рисунок 3. Отслеживание ширины шага и скорости перемещения жука. Красные кресты указывают координаты передней ноги и рога жука, по которым высчитывалась ширина шага, калибруемая по обычной линейке.
Его перемещения отслеживались с помощью технологии захвата движения. Три специальные камеры отслеживали движения жука и представляли их в виде передвижений упрощенной трехмерной модели насекомого. Биология, физика и информатика внесли свой неоценимый вклад в конечный результат — рисунок 4.
Рисунок 4. Установка для захвата движения насекомого и компьютерная модель. а — Компьютерная система захвата движений. б — К передним ногам и спине жука прикрепляли светоотражающие маркеры для отслеживания движений. в — Собранные 3D-данные о движении преобразовывали и показывали в виде трех независимых графических сегментов.
Модифицированные насекомые давно будоражат людское воображение. Они обладают отличной проходимостью, которая может пригодиться в шпионской деятельности. Подобное применение освещалось в кинематографе и имеет неоспоримые преимущества (видео 2).
Видео 2. Отрывок из фильма «Пятый элемент» (режиссер Л. Бессон)
Однако насекомые-киборги пригодятся и в более мирных целях. Например, в поиске пострадавших под завалами.
Создавая новое
Но вместе с тем ученые ставят перед собой и более амбициозные задачи. Как насчет того, чтобы создать нечто новое? В 2012 году сотрудники Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института продемонстрировали созданную ими искусственную медузу (рис. 5) [2]. «Медузоид» — это первый в мире искусственный мускул, состоящий из смеси специальных полимеров и мышечных волокон крысы.
Рисунок 5. Конструкция из силикона и клеток сердца крыс, повторяющая настоящую медузу.
Мышечные волокна, взятые из клеток сердечной ткани мышей, выращены на полимерной матрице. В качестве материала для нее использовали полидиметилсилоксан, который по свойствам близок к соединительной ткани медуз — мезоглее. Необходимой формы добивались с помощью нанесения рисунка из протеинового раствора.
Ориентируясь на строение медузы ушастой аурелии (Aurelia aurita), ученые добились такого же принципа перемещения для биобота. Он двигается за счет выталкивания жидкости, для чего необходимо сокращение мышц. Для обеспечения этого «медузоид» был помещен в электропроводящий соляной раствор. Под воздействием электрических импульсов происходит сокращение мышечных клеток, и биоробот осуществляет движение. Пока не удается достичь полного контроля траектории его движения, но данное направление является весьма перспективным. Работа ведется активно и вдохновляет ученых на новые свершения.
Данное исследование дало толчок следующему. В 2016 году группа ученых из Гарварда представила мировой общественности разработку — «золотого» ската (рис. 6) [3], [4].
Подробнее об искусственном скате можно прочитать на «биомолекуле»: «Мечтают ли батоиды об электрокрысах?» [5]. — Ред.
Рисунок 6. Глаз и скат. Сейчас мы наблюдаем за скатом, а потом он поможет нам наблюдать за другими организмами.
Это система по принципу строения во многом напоминает ската природного (рис. 7).
Рисунок 7. Особенности строения искусственного ската. а — Живой скат. б — Строение плавника живого ската. в — Четыре слоя тела искусственного ската: слой 1 — корпус из полидиметилсилоксана (силикона, применяемого в медицине, косметологии и даже пищевой промышленности); слой 2 — золотой скелет; слой 3 — снова тонкий слой полидиметилсилоксана, на котором расположены мышечные клетки (слой 4). г — Концепт. д — Обхождение препятствий в зависимости от интенсивности подаваемого сигнала.
Очень доступно о том, как хитроумно работает оптогенетика рассказано в статье «Светлая голова» [6]. А как оптогенетика может заставить видеть даже в случае тотального повреждения фоторецепторных клеток сетчатки, описано в статье «Оптогенетика + голография = прозрение?» [7]. — Ред.
Видео 3. Как с помощью живых мышечных клеток и импульсов света удается успешно управлять созданным в лаборатории биоботом
Приведенные выше исследования доказывают: наука вышла на достаточно высокий уровень, чтобы создавать квазиорганизмы искусственным путем, ориентируясь на природные подобия. Пока предприняты лишь первые шаги, которые открывают дорогу более продвинутым исследованиям. Возможно, в скором будущем ученым удастся создать биороботов, более сложных в строении и менее ограниченных в плане среды и условий существования.
Полет фантазии
В результате эволюции организмы, ныне живущие на Земле, достигли совершенства. Все процессы для их успешной жизнедеятельности отлажены и дополняют друг друга. Казалось, не нужно ничего более. Однако не существует границ для человеческой фантазии. Если наличествует должный научный аппарат, почему бы не создать нечто новое, не имеющее аналога в природе? Группа ученых из Университета Иллинойса сделала первые шаги в этом направлении. В 2012 году был показан биобот, приводимый в действие клетками сердечной ткани мышей [8], [9]. Он представлял собой 3D-напечатанный каркас из гидрогеля с высеянными на его поверхность кардиомиоцитами (рис. 8). Клетки сокращаются и расслабляются самостоятельно при соблюдении определенных внешних условий, и биобот размером не более 1 см двигается.
Некоторое время назад «биомолекула» писала о полумягком роботе-прыгуне, тоже созданном посредством 3D-печати: «3D-принтер произвел на свет полумягкого робота-прыгуна» [10]. — Ред.
Рисунок 8. Движения биобота на клетках сердечной мышцы.
Однако контролировать сокращение сердечных клеток — непростая задача, и в 2014 году та же группа ученых представила модернизированную версию биоробота: уже с использованием клеток скелетных мышц мышей (рис. 9). Под воздействием электрических импульсов, подаваемых с внешнего электронного устройства, они сокращаются, вследствие чего биобот передвигается.
Рисунок 9. Строение биобота: гидрогелевый каркас и скелетная мышечная ткань.
Скорость движения регулируется частотой подаваемого поля — это было установлено экспериментально (видео 4).
Видео 4. Напечатанные на 3D-принтере биоботы, приводимые в движение мышечными клетками и управляемые электическими импульсами
Разработанная технология позволяет использовать гидрогелевые каркасы различных форм и дает достаточно свободы для дальнейших изысканий. Уже достигнутый контроль над движением биоробота планируется улучшить. Ученые собираются внедрить в мускульные ткани нейронные сети. Это усложнит алгоритмы движения, но позволит подключить иные способы управления, например, светом или химическим составом среды.
Большие надежды
Двадцать первый век — время, когда достижения науки позволяют претворять давние мечты в жизнь. Описанные типы биороботов могут найти применение во многих сферах жизни человека. Насекомые-киборги пригодятся в шпионаже и операциях МЧС, оптогенетика позволит создать дронов, держащихся в воздухе за счет сокращения мышечных колец. Военную отрасль будут ждать кардинальные перемены. Биороботы, аналоги природных созданий, пока ограничены средой, однако в будущем эти рамки будут преодолены. Станет возможным создание биороботов более сложной структуры, которые превзойдут живые оригиналы. Появится новое направление в биологии — разве могли предыдущие поколения даже мечтать о подобном?
Фантастика становится реальностью. Ученым двадцать первого века выпал счастливый шанс не только наблюдать, но и принять участие в этом увлекательном процессе.