Біогібридні медузи могли б досліджувати морське дно - science et Avenir

Опубліковано 02.02.2020 о 14:00

Американські інженери розробили протез, який електронно стимулює рух медуз, не виснажуючи та не травмуючи їх. Новий флагманський інструмент для дослідження океану ?

Інженери Caltech та Stanford University розробили протез, який збільшує швидкість та ефективність медуз, не виснажуючи їх.

РЕБЕККА КОНТЕ/КАЛЬТЕХ

Медузи водяться у всіх водах земної кулі, якими б глибокими вони не були. Їх можна впізнати, побачивши щупальця, іноді озброєні отрутою, а також парасольку, наповнену желе, мезоглею, яка надає їм хорошої плавучості та запобігає зануренню. Також його скорочувальне м’яке тіло дозволяє медузам рухатись у водному середовищі, щоб рухатись і ловити здобич. Розглянутий рушійний механізм був предметом дослідження, в кінці якого дослідники Стенфордського університету та Caltech розробили електронний пристрій, відповідальний за збільшення швидкості руху медуз. Цей біотехнологічний прорив та сподівання його дизайнерів були описані в публікації в журналі Science Advances 29 січня 2020 року.

Електричні імпульси від протеза збільшують швидкість медуз майже на 3

Медузи містять понад 95% води. Анатомічно медузи мають досить прості структури: в’язке тіло у формі парасольки, за яким ці організми можуть бути впізнані, складається з епідермісу зовні і шлунково-шкірного запасу всередині. Ця шлунково-дерма, з якої виникають щупальця, оточена біля основи кільцем м’язів, відповідальних за скорочення парасольки. Він увігнутий і утворює порожнину, яка заповнюється водою, коли м’язи перебувають у спокої. Їх скорочення звужує вхід в порожнину і стискає об’єм води в ній, витісняючи медуз вперед. Цей механізм дозволяє їм підтримувати швидкість у два сантиметри в секунду, яку в лабораторії в медузах Aurelia aurita помножили на 2,8 завдяки мікроелектричному протезуванню, два електроди імплантували в мезоглею та в м’язове кільце. "Новий протез використовує електричні імпульси для регулювання та прискорення пульсу, як кардіостимулятор для регулювання частоти серцевих скорочень", - йдеться у заяві Caltech. "Поліпшені" медузи справді подорожували під час стимуляції 0,50 герц (Гц) 4-6 сантиметрів за одну секунду (див. Відео нижче).

Електричні імпульси від протеза збільшують швидкість медуз майже на 3

Медузи містять понад 95% води. Анатомічно медузи мають досить прості структури: в’язке тіло у формі парасольки, за яким ці організми можуть бути впізнані, складається з епідермісу зовні і шлунково-шкірного запасу всередині. Ця шлунково-дерма, з якої виникають щупальця, оточена біля основи кільцем м’язів, відповідальних за скорочення парасольки. Він увігнутий і утворює порожнину, яка заповнюється водою, коли м’язи перебувають у спокої. Їх скорочення звужує вхід в порожнину і стискає об’єм води в ній, витісняючи медуз вперед. Цей механізм дозволяє їм підтримувати швидкість у два сантиметри в секунду, яку в лабораторії в медузах Aurelia aurita помножили на 2,8 завдяки мікроелектричному протезуванню, два електроди імплантовані в мезоглею та м’язове кільце. "Новий протез використовує електричні імпульси для регулювання та прискорення пульсу, як кардіостимулятор для регулювання серцебиття", - йдеться у заяві Caltech. "Поліпшені" медузи справді подорожували під час стимуляції 0,50 герц (Гц) 4-6 сантиметрів за одну секунду (див. Відео нижче).

Плавання в 3 рази швидше, споживаючи лише в 2 рази більше енергії

Протягом усього шляху інженери контролювали рівень споживання кисню як у тканинах медуз, так і в навколишній воді. Потім ці показники під час електростимуляції порівнювали з базальним метаболізмом за відсутності зовнішньої стимуляції. Споживання кисню подвоїлося під час електричної стимуляції 0,25 Гц та 0,50 Гц порівняно з контрольним значенням (0 Гц, отже, відсутність стимуляції). Таким чином, максимальна швидкість медузи зазнала збільшення, що дорівнює 2,8 рази від норми, витративши лише вдвічі більше енергії. "Ми показали, що вони здатні рухатися набагато швидше, ніж зазвичай, не страждаючи від обміну речовин", - пояснюють Джон Дабірі та Ніколь Сю, які проводили проект. "Це виявляє, що медузи мають невикористовувану здатність плавати швидше і ефективніше. У них просто немає підстав для цього", - додають вони.

Новий інструмент для дослідження океанів та морського дна

На даний момент доступні гнучкі механічні роботи, що імітують рух риби та медуз, використовуючи рукотворні матеріали, як правило, підключені до зовнішніх джерел живлення, тому споживають більше енергії, ніж їхні тварини. На відміну від цього, гнучкі біологічні системи, що використовують саму діяльність тварин, вимагають менше енергії. Використання живих медуз як природного "риштування" має багато переваг: стає можливим покластися на основний обмін цих тварин, щоб зменшити енергетичні потреби, і скористатися механічною енергією їх м'язового кільця, яке воно містить. Достатньо для стимулювання. Інтегруючи мікроелектроніку в живу медузу, інженери створили біогібридного робота, який в 10 - 1000 разів ефективніше енергоефективний, ніж існуючі плавальні роботи.

"Досліджено лише п’ять-десять відсотків обсягу океану, тому ми хочемо скористатися тим фактом, що медузи вже всюди є, щоб зробити стрибок уперед від вимірювань, зроблених на борту суден, кількість яких обмежена через їх висока вартість ", пояснюють дослідники. Дійсно, медузи зустрічаються в природі в широкому діапазоні солоності, температур, концентрацій кисню та глибин, що дає цим біогібридним роботам можливість розгортання у всіх океанах. Що стосується наступного, американці покладають великі надії: "Якби ми могли знайти спосіб спрямувати цих медуз і оснастити їх датчиками для контролю таких параметрів, як температура океану, солоність, рівень моря," кисень тощо, ми могли б створити справжня глобальна мережа океанів, в якій кожен робот-медуза коштував би кілька доларів, щоб інструментувати і харчуватися енергією здобичі, яка вже знаходиться в океані ".

Жодна тварина не зазнала шкоди чи жорстокого поводження у зв'язку з цим постом

Медузи не мають мозку, центру управління нервовою системою у хребетних. Однак вони мають радіально розподілену мережу нервів. Ця "сітка" нейронів по суті складається з нейронів, деякі з яких конденсуються у невеликі скупчення сенсорних нейронів, які називаються ропаліями. Вони розподіляються по краю парасольки, до якого не торкалися під час експерименту. Однак медузи виділяють слиз під стресом, і слідів такої речовини дослідники не помітили.