Трое берутся за материалы завтрашнего дня

Загляните в лаборатории трех исследователей из Массачусетского технологического института, чья работа может изменить методы проектирования и строительства инженеров. Двое изобретают новые материалы, а один разрабатывает способы обновления внешнего вида материалов, чтобы их можно было обновлять, а не заменять. Инженерное дело никогда не будет прежним.

Сконструированные Риту Раман мышечные клетки сокращаются в ответ на свет — и могут привести к созданию биологических роботов, которые адаптируются к окружающей среде или восстанавливаются после аварии.

Риту Раман протирает руки в перчатках этанолом и достает из инкубатора размером с мини-холодильник поднос с чашками Петри. Посуда содержит полупрозрачные U-образные каркасы, напечатанные на 3D-принтере. И на этих полимерных скелетах растут маленькие розовые полосы мышечных клеток.

Она направляется в соседнюю комнату, где над посудой можно разместить оптоволоконный светильник, излучающий импульсы синего света, слишком яркие, чтобы на них можно было смотреть без защитных очков. Раман объясняет, что клетки, происходящие из линии, первоначально полученной от мышей, биоинженерно созданы так, чтобы сокращаться под таким свечением; пульсирующий свет действует как личный тренер, заставляя их тренироваться. «Они живут там, а потом приходят сюда, чтобы пойти в спортзал», - шутит она.

За последние два десятилетия инженеры экспериментировали с биологическими материалами, поскольку биогибридный дизайн имеет явное преимущество перед строительством из пластика или стали: живые клетки могут расти, изменяться и адаптироваться. Раман, британец (1961 г.), и Алекс (1949 г.) д'Арбелофф, помощник профессора по развитию карьеры в области машиностроения, руководят лабораторией, занимающейся созданием адаптивных биологических материалов, которые используют преимущества способности клеток воспринимать, обрабатывать и реагировать на Измеряя, как светоиндуцированная активность влияет на ее биоинженерные клетки, Раман может получить лучшее представление о том, как биогибридные роботы однажды смогут адаптироваться к незнакомой местности.

«Есть множество вещей, которые могут измениться, когда вы занимаетесь спортом», — говорит она. Например, некоторые типы мышечных волокон могут переносить лишь небольшие нагрузки, но они могут делать это в течение длительного времени; другие могут выдерживать гораздо большую силу, но легко утомляются. Какие мышечные волокна становятся сильнее, зависит от того, какие упражнения выполняет мышца. Раман представляет собой биогибридного робота, способного работать удаленно и питающегося от «батареи» из сахара и аминокислот, который может быть спроектирован так, чтобы развивать нужные мышцы для выполнения текущей работы и даже восстанавливаться путем восстановления частей, поврежденных в результате аварии или падения.

«Если бы я хотела, чтобы робот перемещался по комнате, которая представляет собой относительно контролируемую среду с постоянной температурой и всем остальным, я могла бы просто построить обычного робота по низкой цене», — говорит она. «Но в непредсказуемой, динамичной среде я могу не знать, насколько сильным он должен быть или какие опасности могут присутствовать. Если он пострадает, я не смогу пойти и исцелить его, поэтому он должен быть в состоянии восстановиться и адаптироваться».

Раман выросла в Индии, Кении и США, в семье инженера-химика и инженера-механика. Когда ее родители работали над решением реальных проблем, она увидела непосредственную выгоду, которую может принести инженерное дело; она вспоминает, как видела, как ее отец устанавливал башни связи в сельских деревнях. Будучи специалистом по машиностроению в Корнелле, она случайно прошла курс биомеханики и сразу же увлеклась. «Это был первый учебник за всю мою жизнь, который мне действительно понравилось читать», — говорит она.

Не то чтобы биология всегда была интересной. В качестве лаборанта она работала в лаборатории, которая измеряла влияние алкоголя и физических упражнений на крыс. «Я была в подвале с пьяными крысами на беговых дорожках, которые не хотели бежать», - говорит она. "Это было ужасно!" Однако постепенно она увлеклась тем, как тела и поведение животных менялись в ответ на необычную окружающую среду: «Мне казалось, что этот зверь такой коренастый, этот сильный, и он научился управлять беговой дорожкой. так что ему не придется бежать. Ничто из того, что мы можем построить, не соответствует тому, насколько умны и адаптивны живые системы».

Раман переносит жидкую среду для культивирования клеток (слева) в колбу с живыми клетками. Ее сконструированные мышечные клетки под воздействием световых вспышек сокращаются или «тренируются».