8 мар. 2022 г.6 мин. чтения

Между робототехникой и биотехнологиями.

Обновлено: 29 апр. 2022 г.

Сегодня мы поговорим о взаимодействии биотехнологий и робототехники, рассмотрим 14 примеров.

1.Ксеноботы (англ. xenobots) — синтетические организмы, изобретённые в США в 2020 году, строение которых разрабатывается на компьютере для выполнения определённой функции, и они создаются путём объединения различных биологических тканей. Названы в честь африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), из которой берутся клетки.

Ксеноботы имеют ширину менее 1 миллиметра и состоят только из двух элементов: клеток кожи и клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток. Клетки кожи представляют собой жёсткую раму организма, а клетки сердца выполняют роль небольших моторов, — сокращаясь и расширяясь, обеспечивают ксеноботу возможность продвигаться вперёд.

Выбор формы тела ксенобота и взаимного расположения его кожных и сердечных клеток диктуется конкретной задачей, для выполнения которой его разрабатывают. В настоящее время разработанные ксеноботы способны ходить, плавать, толкать гранулы, переносить полезные грузы и совместно работать в рое, например, чтобы собирать мусор, разбросанный по поверхности их тарелки, в аккуратные кучки. Они могут выживать за счёт собственных резервов в течение нескольких недель без дополнительного питания и излечить себя после разрезания.

Потенциальная сфера применения ксеноботов[1] огромна: от сбора мусора в океане до удаления налёта на стенках артерий или доставки лекарств в ткани организма человека.

2.«Медузоид» — это первый в мире искусственный мускул, состоящий из смеси специальных полимеров и мышечных волокон крысы.

Мышечные волокна, взятые из клеток сердечной ткани мышей, выращены на полимерной матрице. В качестве материала для нее использовали полидиметилсилоксан[2], который по свойствам близок к соединительной ткани медуз — мезоглее. Необходимой формы добивались с помощью нанесения рисунка из протеинового раствора.

3. Данное исследование дало толчок для следующей разработки -"золотого" ската.[3]

4.Оксид никеля.

Специалисты выяснили, что оксид никеля имеет способность имитировать самые базовые особенности животных при обучении.[4] Данное соединение можно будет использовать с применением водорода в создании компьютеров будущего.

При чередовании подачи воздуха и газообразного водорода на оксид никеля материал начинает демонстрировать способности схожие, как если бы ударили током морского слизня. Например, при воздействии водорода его кристаллическая структура слегка меняется, появляется больше электронов для генерации электрического тока. При этом реакция соединения постепенно становилась менее явной — оксид никеля «привыкал».

5.«Минимальной» клетки пока не существует, а организм с синтетическим геномом уже живёт и размножается в лаборатории Института Крейга Вентера. Это обыкновенная бактерия, которая отличается от прочих только тем, что её ДНК синтезирована «в пробирке».Обошёлся проект в 40 миллионов долларов. Этому крупному научному достижению предшествовал другой успех — в 2003 году команде Вентера удалось создать вирус с искусственным геномом.Синтетическая ДНК, состоящая из 1,08 миллиона нуклеотидов, стала самой длинной молекулой, синтезированной когда-либо в лабораторных условиях. Первая в истории синтетическая клетка содержит полностью искусственную хромосому, синтезированную из химических компонентов по компьютерной программе. Это уже не технологии генетической инженерии, когда учёным удавалось изменить или дополнить геном живых существ несколькими генами или набором генов, это — полная пересадка всего генома.[5]

6.Ученые впервые подключили биологические клетки мозга к нейросети.

Ученым из Швейцарии, Великобритании и Италии впервые удалось разработать и подключить работающую нейронную сеть, которая позволяет биологическим и искусственным клеткам мозга обмениваться данными.

Ученые называют это «гибридный мозг». Изобретение может стать основой нейронного имплантата, который позволял бы человеческому мозгу и искусственным нейронным сетям понимать друг друга. Также ученые надеются, что новая технология поможет лечить различные заболевания головного мозга.На данный момент это простая сеть. Но она может стать первым шагом на пути к созданию более интеллектуального и адаптивного протезирования.[6]

7.Исследователи научили клетки человеческого мозга играть в Pong быстрее, чем ИИ

На обучение у клеток, выращенных в чашке Петри, ушло всего пять минут. У искусственного интеллекта — 90.[7] Исследователи Cortical Labs создали «мини-мозг», состоящий из около миллиона живых клеток в чашке Петри. В системе, названной Dishbrain, клетки человеческого мозга помещаются поверх массива микроэлектродов, которые их стимулируют и одновременно анализируют нейронную активность. Клетки играют в версию Pong (аркадную теннисную видеоигру) для одного пользователя. Поочередно электрические сигналы посылаются то в правую, то в левую часть массива, чтобы показать, где находится мяч. В ответ на это «мини-мозг» запускает нейроны, чтобы управлять ракеткой.

И обучается этому быстро: клеткам требуется всего от 10 до 15 игровых сессий, в то время как для освоения игры ИИ требуется около 5 тысяч сессий. Однако если клетки и искусственный интеллект становятся соперниками, то выигрывал последний.

Видео с игрой клеток мозга и ИИ- https://youtu.be/9ksLuRoEq6A

8.Neuralink — это проект Илона Маска, который стартовал в 2016 году. Компания занимается разработкой специального прибора, который способен передавать сигналы мозга по Bluetooth. Это позволит управлять компьютером или смартфоном напрямую, при помощи мозговых импульсов.

Впервые прибор показали в июле 2019-го.

Предполагается, что капсула-приемник будет крепиться за ухом, как слуховой аппарат. От нее к мозгу будут идти нитевидные электроды. Всего в мозг имплантируют до 1500 электродов, каждый из которых в 4 раза тоньше человеческого волоса. Один процессор величиной 4 х 4 мм обрабатывает информацию с 10 тыс. электродов.

Главная задача Neuralink — расширить возможности людей, в первую очередь тех, кто страдает неврологическими заболеваниями.

Операция по вживлению нейрочипа будет роботизированной и не сложнее, чем лазерная коррекция зрения, обещают ученые Neuralink. Первые испытания, по словам Маска, уже прошли на крысах и обезьянах и закончились успешно. Чтобы провести тесты на людях, нужно получить разрешения от Министерства здравоохранения США.[8]

9.Радиоуправляемый таракан.

Лаборатория iBionicS Университета Северной Каролины в 2012 году представила радиоуправляемого таракана . Принцип его действия заключается в воздействии на нервную систему через сенсоры-усики.

На спине насекомого закрепляли чип, подающий сигналы на антенны таракана и таким образом корректирующий траекторию его движения . 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. [9]

10. Наниты.

Одним из последних достижений в области наноробототехники является создание исследователями из Университета Дрекселя крошечных роботов, способных развивать большую скорость в жидкой среде . Нанороботы представляют собой цепочки из крошечных круглых частиц. Магнитное поле вращает частицы, подобно винту. При этом, чем длиннее цепочка, тем бóльшую скорость она может развить . Ученые создавали различных роботов: начиная с цепочки из трех «бусин» до цепочки из 13 частиц, которая достигала скорости 17,85 микрометра в секунду . Движение наноботов было возможно благодаря применению внешнего магнитного поля. Чем быстрее была скорость вращения поля, тем быстрее перемещались цепочки. При этом высокая частота приводила к деформации цепочек и способствовала их разделению на более мелкие цепочки: из трех или четырех частиц. Ученые планируют использовать эти устройства в будущем для доставки лекарственных веществ по кровеносным сосудам.[10]

11.Робот-бактерия.

Группа биотехнологов смогла объединить бактерию и наноустройство.

Полученное устройство получило название NERD, что можно перевести как "ботаник". Но ученые говорят о том, что его название является всего лишь сокращением от нано-электронное робото-устройство.

Пока специалисты не выделяют конкретных сфер, в которых будет использоваться их нано-робот. Миниатюрные киборги смогут изменять процессы, протекающие в организме, добиваться их наибольшей эффективности, разрушать нежелательные образования.[11]

12.Робот из ДНК

В США ученым удалось создать наноробота из кусочков ДНК. Он умеет «шагать» прямо по клеткам и другим поверхностям микромира. При этом робот двигается автономно, без источников энергии.

Первый прототип наноробота смог всего лишь передвигаться вперед, назад и хаотично перемещаться по двухмерной поверхности. Рекордом стали 36 шагов, после чего робот застревал и не мог выбраться без посторонней помощи.

Создатели предположили, что их разработку можно превратить в так называемого нанодоктора. Он будет перемещаться по клеткам всего организма в поисках проблемных зон, например, раковых клеток. [12]

13.Щупальце с присосками.

Промышленный манипулятор от Festo, OctopusGripper, отлично подходит для переноса гладких округлых деталей. Он скопирован у осьминога и представляет собой эластичное щупальце с вакуумными присосками. Щупальце, присоски и основная часть манипулятора сделаны из мягкого силикона.

Концепт разработан в 2017 году, и сейчас компания тестирует OctopusGripper на двух пневматических легких роботах собственной разработки — BionicMotionRobot и BionicCobot. Плюс «искусственного щупальца» — в гибкости: его не нужно отдельно настраивать на каждый вид захватываемых объектов, он может манипулировать цилиндрическими и круглыми предметами разного диаметра.[13]

14.Робот-акула для ловли океанского пластика WasteShark

Автоматический плавательный аппарат WasteShark может курсировать по заданной акватории, собирая в свой «желудок»-контейнер, в который помещается до 60 кг отходов, весь крупный (размером как минимум со стаканчик) мусор, который встретится на его пути. Когда свободного места в его «животе» не остается, робот-акула возвращается на берег, обслуживающие его специалисты очищают контейнер, и «акула» снова отправляется в путешествие. «Заряда батареи хватает на восемь часов плавания, — говорит директор RanMarine Оливер Каннингем. — Испытывая нашу «акулу» в заливе близ голландского города Дордрехта, мы вычислили, что в среднем робот собирает за минуту около 1 кг мусора. Это означает, что за стандартный восьмичасовой рабочий день он может собрать 480 кг мусора». Работая на полной мощности, робот будет избавлять водоемы планеты от 125 т отходов за год, утверждает Каннингем.

Разработчик WasteShark подчеркивает, что использование их робота приведет к оздоровлению Мирового океана. . Минусом проекта является то, что пока «акула» не сортирует, а лишь собирает мусор — набивает брюхо всем, что плавает на поверхности, в том числе, например, и кусками дерева.[14]