Електростимулятор м'язів перетворив медуз на швидкісних кіборгів

Американські інженери створили медузу-кіборга з вживленими електродами для стимуляції м'язів. Експерименти показали, що електростимуляція дозволяє збільшити швидкість руху медузи в 2,8 рази порівняно з нормальним режимом плавання. Стаття опублікована в.

Успішні види в процесі еволюції відмінно пристосовуються до середовища проживання і виробляють ефективні методи пересування. Інженери часто намагаються відтворити будову і механізми пересування в роботах за допомогою штучних актуаторів, але поки навіть передові розробки на зразок літаючих мікророботів значно поступаються істотам-прообразам. Є й інший підхід - використовувати різні методи управління живими істотами з високою ефективністю. Наприклад, існують успішні досліди з електричної та оптичної стимуляції м'язів комах, таких як жуки і стрекози.

Ніколь Сюй (Nicole Xu) і Джон Дабірі (John Dabiri) зі Стенфордського університету вирішили використовувати цей підхід для створення плаваючої тварини-кіборга. В якості модельного організму вони взяли медузу виду вухатих аурелій (). Автори відзначають, що у цього організму немає центральної нервової системи і ноцицепторів, тому експерименти не завдають страждань медузі.

Загалом реакція скорочення м'язів у медуз у відповідь на електростимуляцію відома, але конкретні взаємини між параметрами стимуляції і частотою скорочень у цього виду раніше не досліджувалися, тому інженери провели експерименти для пошуку оптимальних параметрів. В результаті вони вибрали прямокутні імпульси тривалістю 10 мілісекунд при напрузі 3,7 вольт і частоті від 0,25 до 1 герц. Імпульси створюються за допомогою невеликого саморобного стимулятора з мікропроцесором і акумулятором, впровадженого в манумбріум, і двома парами електродів, вживлених в ектодерму з різних сторін. Крім функціональних елементів стимулятор також складається з пробки і набору шайб для створення нейтральної плавучості.

Спочатку після впровадження стимулятора інженери провели експерименти без подачі напруги і з'ясували, що вживлення пристрою статистично незначно впливає на частоту м'язових скорочень медуз (0,16 герц без стимулятора і 0,18 з ним). Після цього вони перевірили можливість вимушених скорочень. Виявилося, що при імпульсах з 0,25 до 1,2 герц медузи реагували відповідним зразком - скороченнями м'язів такої ж частоти. При підвищенні частоти імпульсів відповідна реакція починала ставати менш регулярною і після 1,5 герц жодна медуза не могла коректно реагувати на стимуляцію, хоча раніше вважалося, що фізіологічна межа м'язових скорочень становить 1,4 герц.

Дослідники також провели заміри швидкості та ефективності плавання медуз зі стимулятором. Заміри за допомогою камери і яскравих маркерів на медузах показали, що максимальне збільшення швидкості порівняно з нормальною становить 2,8 рази і досягається при частоті імпульсів 0,62 герц. При такій частоті медуза рухається з відносною швидкістю 0,43 діаметра тіла.

Для вимірювання ефективності автори зібрали герметичний акваріум з датчиком кисню на краю і ще одним, розташованим всередині купола медузи. Завдяки цьому зі зміни концентрації кисню вони змогли з'ясувати метаболічні витрати на пересування. Виявилося, що при частотах 0,25 і 0,5 герц витрати на рух зростають удвічі порівняно з нормальними витратами медуз цього виду. Автори роблять висновок, що стимулятор дозволяє підвищити швидкість руху в 2,8 рази при збільшенні витрат в 2 рази, що робить таке плавання більш ефективним.

Від редактора

Варто відзначити, що автори дослідження порівнюють максимальну швидкість руху, отриману при частоті імпульсів 0,62 герц, з максимальними метаболічними витратами, отриманими при частоті 0,5 герц, тоді як для частоти 0,62 герц такі вимірювання не проводилися. Якщо ж порівнювати обидва параметри при однаковій частоті 0,5 герц, і швидкість, і метаболічні витрати виростають приблизно в два рази порівняно з нормальним режимом руху.

У галузі біороботів є й інший напрямок, в рамках якого дослідники вирощують зі справжніх клітин роботів потрібної форми. Наприклад, американські вчені створили з генетично модифікованих клітин серцевого м'яза мишей невеликого штучного ската, керованого за допомогою світлових імпульсів.