游泳机器人跳动的心脏

2022-02-15 12:50:14

我们身体中的大多数肌肉只对传入的神经信号做出反应,这些信号必须触发每个肌肉细胞收缩或放松。但心肌是不同的。触发心肌收缩的脉冲从一个肌肉细胞传递到相邻的肌肉细胞,从而产生有节奏的收缩波。这是如此彻底地建立在系统中,以至于培养皿中的一片心肌细胞将开始自发收缩。

现在,研究人员利用心脏细胞的一些独特特性,制造了一种只靠糖为动力的游动机器鱼。当他们试图打造心脏时';它相当于一个起搏器,但事实证明它并不需要:肌肉细胞的正确排列使鱼能够自发地游泳。

从某种意义上说,描述这种新型机器鱼的论文是对我们控制干细胞发育能力不断增强的致敬。这篇论文的研究人员来自哈佛大学,他们决定用心肌细胞为机器人提供动力。几年前,这意味着在分离和培养心肌细胞之前,从实验动物身上解剖出一个心脏。

对于机器鱼来说,干细胞更好。那';这是因为干细胞更容易进行基因操作,也更容易生长成一个统一的群体。因此,该团队从人类干细胞群体开始,并经历了指导其发育所需的过程,从而形成心肌细胞。

这些细胞的薄层被放置在一片薄薄的明胶中,明胶将细胞固定在"的两侧;鱼";(两边各一片)。鱼的中心是灵活的,所以右侧肌肉的收缩会把尾巴拉向右侧,对侧也是如此。通过左右交替收缩,鱼会把尾巴从一边拉到另一边,推动它向前。除此之外,这条鱼还有一个很大的背#34;财务和#34;里面有一个浮力装置,可以让野兽保持直立,防止它下沉。整个过程的动力来源于将其放入含有糖的溶液中,心肌细胞会吸收糖。

也许正是因为这种简单性,这个机器人如此耐用,以至于它在建造之后能够游泳三个多月。一开始表现不错,但随着心肌细胞更好地整合到连贯的肌肉中,第一个月的表现有所改善。最终,这条鱼每秒能游超过一个身长。在这种速度下,机器人每单位肌肉质量的效率非常高,它的游泳速度比实际的鱼快。

帮助机器鱼得以生存的因素之一是#39;在上图中,任何一种控制电路都不存在,这使得它的效率非常显著。研究人员实际上测试了许多控制肌肉的方法,但最终发现最简单的方法是最好的。

控制肌肉的第一次尝试依赖于一点基因工程。通常由神经脉冲触发的离子流入会触发肌肉收缩。但研究人员已经发现了一些蛋白质,它们充当光激活的离子通道,在特定波长的光下会产生离子流入。因此,研究人员设计了一侧细胞对红光敏感,另一侧细胞对蓝光敏感。这种方法效果很好,可以让红色和蓝色交替闪烁,让鱼向前游动。

研究人员尝试的第二种方法是受心脏结构的启发,心脏中包含一组细胞,通过触发从那里传播的收缩来充当起搏器。研究人员形成了一个心脏细胞球作为起搏器,并制作了一个连接心脏细胞和侧翼肌肉的细胞桥。从起搏器细胞开始的离子流入可能会扩散到肌肉,导致收缩。

这在一定程度上起到了作用,但结果是次要的。研究人员发现,这两块肌肉相互调节节奏;这是宫缩。

心肌细胞也有拉伸受体。对细胞拉得太多,受体就会被激活并触发收缩。结果证明,这为侧翼肌肉提供了一种内置的协调性。当右侧的一个细胞收缩时,它会导致另一侧的细胞伸展。一旦达到临界点,左侧的拉伸感受器就会触发肌肉收缩,拉伸右侧。然后,这段时间重新开始了循环。

这不会';t无限期地工作,两块肌肉最终会失去同步。那';此时起搏器可以帮助他们恢复正常的周期。

总的来说,这远比有用的东西更令人印象深刻(除非你是那种只对有用的东西印象深刻的人)。没有';毕竟,在很多情况下,机器人都需要在糖溶液中游动。但是,研究人员能够找出如何利用这些细胞的基本生物学特性来制造一台有效的机器,这一事实当然符合我对“令人印象深刻”的定义。