Американские инженеры создали медуз-киборгов с вживленными электродами для стимуляции мышц. Эксперименты показали, что электростимуляция позволяет увеличить скорость движения данных животных в 2,8 раза по сравнению с обычным режимом плавания. Статья опубликована в Science Advances.
Отметим, что успешные виды в процессе эволюции отлично приспосабливаются к среде обитания и вырабатывают эффективные методы передвижения, которые инженеры сегодня нередко пытаются воспроизвести в роботах с помощью искусственных актуаторов, но пока даже передовые разработки наподобие летающих микророботов значительно уступают существам-прообразам. Есть и другой подход — использовать различные методы управления живыми существами с высокой эффективностью. Например, существуют успешные опыты по электрической и оптической стимуляции мышц летающих насекомых, таких как жуки и стрекозы.
Ученые из Стэнфордского университета решили использовать этот подход для создания плавающего животного-киборга. В качестве модельного организма они взяли медузу вида ушастых аурелий (Aurelia aurita). Авторы отмечают, что у этого организма нет центральной нервной системы и ноцицепторов, поэтому эксперименты не причиняют ему страданий, а кроме того, единственной известной реакцией на стресс у этих медуз является выделение слизи, и во время исследования каких-либо выделений обнаружено не было. Вдобавок, наблюдения, проведенные по прошествии исследования, показали, что участвовавшие в экспериментах животные, освобожденные от дополнительного оборудования, впоследствии вернулись к своему привычному образу передвижения.
Несмотря на то, что реакция сокращения мышц у ушастых аурелий в ответ на электростимуляцию известна уже давно, конкретные взаимоотношения между параметрами стимуляции и частотой сокращений у этого вида ранее не исследовались, поэтому в рамках своего изыскания инженеры провели серию экспериментов для поиска оптимальных параметров. В результате они выбрали импульсы продолжительностью 10 миллисекунд при напряжении 3,7 вольт и частоте от 0,25 до 1 герц.
Для создания импульсов исследователи использовали небольшой самодельный стимулятор с микропроцессором и аккумулятором, внедренный в манумбриум медузы, и две пары электродов, вживленные в эктодерму животного с разных сторон. Помимо функциональных элементов, стимулятор, имеющий в диаметре около двух сантиметров, также состоит из пробки и набора шайб для создания нейтральной плавучести.
Изначально после внедрения стимулятора инженеры провели эксперименты без подачи напряжения и выяснили, что само по себе вживление устройства статистически незначительно влияет на частоту мышечных сокращений медуз (0,16 герц без стимулятора и 0,18 с ним). После этого они проверили возможность вынужденных сокращений. Оказалось, что при импульсах с 0,25 до 1,2 герц медузы реагировали на стимуляцию сокращениями мышц такой же частоты, однако при повышении частоты импульсов ответная реакция начинала становиться менее регулярной и после 1,5 герц ни одна медуза не могла корректно реагировать на стимуляцию.
На последнем этапе исследователи изучили возможные скорости и эффективность плавания медуз с работающим стимулятором. Замеры с помощью камеры и ярких маркеров на медузах показали, что максимальное увеличение скорости по сравнению с нормальной составляет 2,8 раза и достигается при частоте импульсов 0,62 герц: при такой частоте медуза двигается с относительной скоростью 0,43 диаметра тела (то есть до 6 см в секунду; обычная скорость передвижения ушастых аурелий — 2 см в секунду).
Для измерения эффективности методики авторы собрали герметичный аквариум с датчиком кислорода на краю и еще одним, расположенным внутри купола медузы. Благодаря этому по изменению концентрации кислорода они смогли выяснить метаболические затраты на передвижение. Оказалось, что при частотах 0,25 и 0,5 герц затраты на движение возрастают вдвое по сравнению с нормальными затратами медуз этого вида. Авторы делают вывод, что стимулятор позволяет повысить скорость движения в 2,8 раза при увеличении метаболических затрат в 2 раза, что делает такое плавание весьма эффективным. Для сравнения, аналогичный робот потреблял бы в 1000 раз больше энергии, чем «ускоренная» медуза.
«В принципе, медузы вполне способны двигаться с повышенной скоростью и без какой-либо внешней стимуляции. Причина, по которой эти животные не пользуются данным умением, — при движении с более высокой скоростью снижается эффективность их охоты. То есть у медуз попросту нет причин двигаться быстро», — указывают исследователи.
График с относительной скоростью движения медузы при разной частоте импульсов, а также график, на котором отображены метаболический затраты на движение при разной частоте импульсов.
В настоящее время стимулятор способен лишь заставлять медузу двигаться и контролировать темп ее передвижения, в дальнейшем инженеры планируют доработать устройство, наделив его способностью выбирать направление движения животного, а также сделав оборудование еще компактнее.
Исследователи надеются, что их изыскание станет первым шагом в разработке методики превращения медуз — весьма распространенных животных, которых можно повстречать плавающими и на поверхности воды, и на внушительных глубинах во многих точках мирового океана — в полноценных киборгов, которых затем можно будет задействовать в качестве относительно недорогих в создании автономных либо дистанционно управляемых живых «аппаратов», несущих на себе разного рода сенсоры и при этом продолжающих добывать все необходимые питательные вещества и энергию традиционным образом — посредством охоты, для изучения океанов.
Источник: N+1