Группа учёных из Токийского университета использовала искусственно выращенную мышечную ткань в качестве привода для передвижения двуногого робота. Такой привод может превзойти по эффективности иные способы приведения конечностей роботов в движение. К тому же, он будет мягкий на ощупь и сможет легко копировать способы перемещения людей. Иначе говоря, будет приспособлен жить в окружении человека.

Источник изображения: Shoji Takeuchi research group, University of Tokyo

Экспериментальная конструкция не отличалась сложностью. Мышечная ткань была натянута вдоль гибкой конструкции каждой из пластиковых ног робота. Ноги заканчивались поплавком, и вся конструкция была помещена в сосуд с питательным раствором. Мышечные клетки хоть и искусственные, но живые, поэтому требовали подвода питания.

Сокращение мышц происходило после пропускания тока через жидкость вблизи мышц от одного электрода к другому. Учёные вручную приближали электроды то к одной ноге, то к другой, заставляя их подниматься и совершать шажок вперёд. Отключение тока расслабляло мышцы, и нога совершала движение. Таким образом, были проверены режимы ходьбы по прямой и развороты на месте, когда сокращалась только одна мышца на той или иной ноге.

Поднесённые к ноге робота электроды, по которым через жидкость и мышцу пропускается ток

Учёные отметили, что предложенное ими решение работает, и робот с живыми мышцами способен перемещаться и совершать манёвры на местности. В будущем они планируют разработать устройства подвода питания к мышцам, чтобы они могли работать на воздухе, а также эффективные схемы подачи электрических сигналов для управления движением.

Можно не сомневаться, что исследователи найдут удобное решение. Ранее мы рассказывали, например, что японские учёные смогли научить роботов обрастать кожей из живых человеческих клеток, хотя это уже другая история.

Новая работа с живыми клетками человеческого мозга показала перспективность объединения живых тканей с компьютером. Колония живых нейронов обучалась быстрее искусственных моделей с почти таким же результатом. Если отбросить вопрос с этикой, до проблем с которой пока далеко, живые клетки человеческого мозга могут превзойти современные и будущие нейронные сети, работающие на кремниевых чипах, как по производительности, так и по экономическим соображениям.

Источник изображений: Nature Electronics

С помощью стволовых клеток учёные вырастили так называемый органоид мозга — объёмную колонию клеток, повторяющих структуру нейронов и их связей в мозге. Это не первый и наверняка не последний эксперимент с живыми клетками, позаимствованными у человека. Ранее органоид мозга, например, научили игре в «Понг», с чем он успешно справился. В таких исследованиях самым сложным бывает донести информацию до «мозга» и считать её.

Группа профессора Го Фэня из Университета штата Индиана в Блумингтоне (США) предложила достаточно простое решение — они вырастили органоид на высокоплотном массиве электродов. Электроды, а это, по сути, компьютерный интерфейс, вносили данные в клетки «мозга» и считывали результат его последующей активности. Тем самым на практике была реализована такая архитектура спайковой (импульсной) нейросети, как резервуарная. Что происходило в массиве нейронов, учёным было неизвестно, но условно живая модель показала способность к быстрому обучению и расчётам.

Свою нейросеть учёные назвали Brainoware. Система прошла двухдневное обучение на наборе из 240 аудиозаписей речи восьми японских мужчин, произносящих гласные звуки. После этого она смогла распознавать конкретный голос с точностью до 78 %. Также система смогла решать уравнения по отображениям Эно примерно с такой же точностью. На это ушло ещё четыре дня обучения. Более того, решение дифференциальных уравнений проходило с большей точностью, чем в случае искусственной нейронной сети без блока длинной цепи элементов краткосрочной памяти.

Мозг Brainoware в «возрасте» 7, 14, 28 дней и через несколько месяцев (нижний ряд в увеличенном виде)

Живой искусственный «мозг» был не такой точный, как искусственные нейронные сети с длинной цепью элементов краткосрочной памяти, но каждая из этих сетей прошла 50 этапов обучения. Сеть Brainoware достигла почти таких же результатов менее чем за 10 % времени обучения, потраченного на обучение искусственных цепей.

«Могут пройти десятилетия, прежде чем будут созданы универсальные биокомпьютерные системы, но это исследование, вероятно, даст фундаментальное представление о механизмах обучения, развитии нервной системы и когнитивных последствиях нейродегенеративных заболеваний», — мечтают авторы работы, опубликованной в журнале Nature Electronics.

Учёные из Университета Тафтса (США) представили прототип гибридного транзистора на основе шёлка. Биологический материал включили в стандартный техпроцесс производства чипов, что обещает сделать его использование массовым. Сочетание кремния и биотехнологий позволяет гибридным электронным цепям реагировать одновременно на электрические и биологические сигналы, открывая путь к датчикам здоровья и нейропроцессорам.

Источник изображения: Tufts University / Silklab

Исследователи давно ищут мостик между живым и неживым, который позволит создавать нейроинтерфейсы между электронными устройствами и живыми организмами. Перспективы подобных решений невозможно переоценить. Нейросети, подобные мозгу процессоры, датчики биологических процессов в организме людей — это многое изменит в жизни людей. Произойдёт это не завтра и не послезавтра, но рано или поздно мир станет совершенно иным.

Подтолкнут ли к этим изменениям только что представленные гибридные транзисторы, или они канут в небытие, мы пока не знаем. Но на данном этапе разработка демонстрирует ряд интересных свойств, например, способность вписаться в современные техпроцессы выпуска микросхем.

Предложенный учёными гибридный процессор в качестве изолятора (очевидно, затвора) использует материал на основе белка фиброина, входящего в состав шёлковых нитей и, например, паутины. Этот белок показал хорошую восприимчивость в процессе регулировки его ионной проводимости электронными импульсами и биомаркерами.

По сути, мы имеем дело с чем-то сильно напоминающим, как работает ячейка памяти ReRAM: насыщение ионами рабочего слоя меняет там сопротивление. Тем самым гибридный транзистор на основе шёлка вполне перекрывает область применения резистивной памяти или мемристора, как назвала его компания HP, и даже выходит за его пределы, поскольку заходит в сферу биологии.

На основе предложенного решения исследователи создали датчик дыхания, чутко реагирующий на влажность. Здоровье человека — это та сфера, которая может стать благодатной почвой для множества перспективных начинаний, и «транзистор из шёлка» вполне может стать одним из них.

Как сообщают в НИТУ «МИСИС», в мире пока не существует коммерчески доступных биопринтеров для печати мягких тканей непосредственно на ранах пациентов. Разработчики университета восполнили этот пробел, который поможет лечить обширные повреждения тканей без дорогостоящего оборудования. Технология проверена на животных и доказала свою эффективность.

Источник изображений: НИТУ «МИСИС»

Традиционно ткани для пересадки на обширные повреждённые участки кожи выращиваются «в пробирке» — на чашках Петри с последующей адаптацией, что требует громоздкого и дорогостоящего оборудования. В мире пока нет коммерческих биопринтеров, которые могли бы наносить тканевый материал прямо на раны, что значительно ускорило бы восстановление пациентов с попутным снижением затрат на подготовку к лечению и само лечение. Учёные университета решили этот вопрос оригинальным образом — они приспособили для этого рядовой роботизированный манипулятор, вооружив его системой подачи тканевых «чернил» и датчиками навигации.

Программно-аппаратный комплекс биопринтера сканирует дефект, создает его трёхмерную модель, а затем заполняет участок гидрогелевой композицией с живыми клетками. Датчики на основе лазеров учитывают не только рельеф раны, но также движение тела пациента, например, в процессе дыхания, подстраивая необходимым образом печатающую головку. Специальное программное обеспечение, синхронизирующее движения роборуки и подачу материала, создал инженер НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Александр Левин. Пользовательский интерфейс с возможностью 3D-отображения траекторий написан на языке Python с использованием открытых библиотек Pyqt5 и OpenGL и открыт для всех желающих, кто готов совершенствовать проект.

Судя по фотографиям, за основу биопринтера был взят один из манипуляторов белорусской компании Rozum Robotics. Биочернила на основе коллагенового гидрогеля были поставлены биотехнологической фирмой «ИМТЕК». Программно-аппаратный комплекс платформы учёным помогали разрабатывать специалисты компании 3D Bioprinting solutions. Принтер успешно прошёл испытания в операционной на животных в лаборатории доклинических исследований МНИОИ имени П.А. Герцена и готов к дальнейшим этапам исследований. Проведённый через некоторое время анализ ран показал, что процесс заживления прошёл со значительным ускорением.

По мнению специалистов, данная технология биопечати in situ, т.е. непосредственно в дефект, в будущем может стать прогрессивным терапевтическим методом лечения ожогов, язв и обширных повреждений мягких тканей.

Несмотря на все достижения в области работы с ДНК — шаблоном и инструментом для воспроизведения и развития живых организмов на Земле — попытки использовать этот же механизм для выполнения математических алгоритмов пока не могут считаться достаточно успешными. В то же время логика на ДНК способна на колоссальный параллелизм, что позволит умножить мощность компьютеров, в чём далеко продвинулись китайские учёные.

Источник изображения: Pixabay

Наука далеко шагнула в области записи данных на ДНК. Это базовая опция дезоксирибонуклеиновой кислоты. Запись и хранение данных относительно нетребовательны к скорости работы платформы, которая зависит от скорости протекания биохимических реакций. Другое дело вычислительные цепи, скорость работы которых должна быть максимальной. В принципе, параллелизм частично решает эту проблему. Но до последнего времени электронные цепи на ДНК, с которыми работали учёные, не могли похвастаться универсальностью — они выполняли лишь ограниченный круг алгоритмов.

Группа исследователей из Китая разработала интегральную схему ДНК, которая способна выполнять множество разнообразных операций. По словам учёных, реконфигурируемый базовый элемент (электронная цепь) с 24 адресуемыми двухканальными затворами может быть представлен в виде 100 млрд вариаций цепей, каждая из которых сможет выполнять собственную подпрограмму. Из этого следует, что на основе этого решения можно спроектировать процессор общего назначения для запуска любых программ.

В своей работе, которая была опубликована в журнале Nature, исследователи показали, как с помощью трёхслойной матрицы из цепей на базе их ДНК-чипа можно обеспечивать простейшие математические операции. Представленная платформа легко масштабируется, что позволяет рассчитывать на создание в будущем очень мощных процессоров.

Для решения вопроса масштабирования учёные проделали другую работу. Ведь для прохождения сигнала в цепях из ДНК потребуется передача биохимических данных в заданном направлении и без затухания. И чем длиннее будет этот путь (масштаб), тем выше будет вероятность потери «сигнала» — фрагмента ДНК или концентрации фрагментов ДНК. В качестве «сигнала» китайские учёные испытали олигонуклеотиды — короткие фрагменты ДНК, которые уже используются как детекторы и носители ДНК-информации. В своих экспериментах китайцы показали, что типовые одноцепочечные олигонуклеотиды хорошо работают в качестве унифицированного сигнала для передачи, что позволяет надёжно интегрировать крупномасштабные цепи с минимальной утечкой и высокой точностью для вычислений общего назначения.

«Способность интегрировать крупномасштабные сети DPGA [ДНК БИС] без явного ослабления сигнала знаменует собой ключевой шаг на пути к ДНК-вычислениям общего назначения», — заявляют исследователи.

Вычисления в пробирке. Буквально. Источник изображения: Nature

В качестве примера учёные создали схему, решающую квадратные уравнения, которая собрана с использованием трёх слоев каскадных ЦВМ, состоящих из 30 логических вентилей и содержащих около 500 нитей ДНК. Более того, интеграция DPGA с аналого-цифровым преобразователем позволит классифицировать микро-РНК, связанные с заболеваниями. Иными словами, предложенная платформа сможет не только работать как обычный компьютер, но также будет способна на мгновенную диагностику вирусных и других заболеваний. И ещё большой вопрос, которая из этих возможностей окажется наиболее полезной.

Представьте, что умные часы или фитнесс-браслет смогут управлять вашим метаболизмом, а не просто измерять пульс и подсчитывать количество шагов. Такое кажется невозможным, но поставленный учёными эксперимент показал, что активностью генов в клетках человека можно управлять электрическими импульсами.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) проделали работу, результатом которой может стать использование в будущем носимых устройств для укрепления нашего здоровья, а не только для сбора данных об активности. Учёные представили то, что они назвали «электрогенетическим» интерфейсом. Перспективный интерфейс способен запускать целевые гены по команде в те моменты, когда наш организм будет нуждаться в стимуляции или в коррекции состояния здоровья.

«Носимые электронные устройства играют всё большую роль в получении данных о здоровье человека для проведения персонализированных медицинских вмешательств, — пишут исследователи в опубликованной ими статье. — Однако из-за отсутствия прямого электрогенетического интерфейса, носимые устройства пока не могут напрямую программировать генную терапию. Здесь мы предоставляем недостающее звено».

Как сообщается в статье учёных в журнале Nature Metabolism, эксперимент был поставлен на мышах, больных диабетом 1-го типа. Мышам имплантировали клетки поджелудочной железы человека. Раздражение этих клеток электрическим током по команде с внешнего устройства приводило к принудительной выработке инсулина. С оговорками, но животных фактически избавили от неизлечимой болезни.

Источник изображения: Nature Metabolism

Стимуляция клеток происходит в процессе образования активных форм кислорода — очень активных и «агрессивных» молекул, уровень которых, впрочем, контролировался и не достигал концентрации, после которой молекулы кислорода становятся для организма ядом. Молекулы кислорода напрямую воздействуют на ДНК при делении клеток и могут направлять этот процесс в нужное русло, обеспечивая генную терапию с помощью контролируемых электрических импульсов.

«Мы считаем, что эта технология позволит носимым электронным устройствам напрямую программировать метаболические вмешательства», — пишут исследователи. Очевидно, что такое произойдёт очень и очень нескоро. Но потенциал в этом есть, и он обещает когда-нибудь справиться с генетическими заболеваниями и не только. Например, получить возможность выбрать в меню браслета режим «форсаж» и догнать уходящий поезд.

Учёные из Мюнхенского технического университета предложили ещё один способ утилизации углекислого газа. Вместо выбросов в атмосферу, где CO₂ будет создавать парниковый эффект, открытая цепочка биохимических реакций приводит к синтезу аминокислоты, необходимой для производства кормового белка. При этом территория под комплекс для синтеза будет ощутимо меньше сельхозугодий под те же задачи. Так можно будет «накормить будущее», уверены учёные.

Источник изображения: Otto Zellmer / TUM

Для производства искусственного белка, необходимого как для кормов сельскохозяйственных животных, так и для пищи человека, например, для создания искусственного мяса, необходим ряд аминокислот. Немецкие учёные придумали реакцию для синтеза аминокислоты L-аланина и намерены разработать процессы для синтеза других необходимых аминокислот, чтобы в конечном итоге из углекислого газа синтезировать полные белковые комплексы.

В основе биохимической реакции синтеза L-аланина лежит метанол и не простой, а «зелёный» — полученный из CO₂ с использованием возобновляемой энергетики — от ветряных или солнечных ферм. Метанол необходим как промежуточный продукт, потому что напрямую аминокислоту синтезировать из углекислого газа нельзя. Получив из CO₂ метанол, учёные запускают с ним серию реакций с использованием синтетических ферментов. На выходе получается необходимая для синтеза кормового белка аминокислота. Для синтеза этой же аминокислоты природным способом необходимы земля, люди и длительные процессы по выращиванию.

В случае природного подхода ресурсные затраты и произведённые в его процессе вредные выбросы проигрывают синтетическим, уверены исследователи. К тому же, синтетический способ производства аминокислот и белков не производит вредных выбросов, если использует возобновляемую энергию. Предложенное решение поможет устранить конфликт между растущим населением Земли и производством продуктов. Еды хватит всем, и производиться она будет без ущерба для экологической обстановки.

Научные исследования становятся всё сложнее и дороже, что ограничивает к ним доступ лабораториям и коллективам без больших бюджетов. Группа учёных смогла решить эту проблему в сфере 3D-печати живых тканей человека — она создала сложнейшее и дорогое оборудование из обычных наборов LEGO и готова поделиться опытом со всеми желающими.

Источник изображений: Cardiff University

Промышленный 3D-биопринтер стоит десятки и даже сотни тысяч долларов США. Группа исследователей из Кардиффского университета (Великобритания) решила для себя вопрос покупки принтера приобретением нескольких наборов LEGO общей стоимостью в $624. Самыми дорогими, по-видимому, оказались интеллектуальный блок Lego Mindstorms и лабораторный насос.

LEGO-принтер печатает биогелем, в котором растворены клетки кожи человека. Сопло принтера создаёт трёхмерную модель тканей кожи в чашке Петри, укладывая в неё слой за слоем. В дальнейшем учёные намерены изучить работу с разными составами геля и соплами разного диаметра, чтобы попытаться максимально точно воспроизводить кожную ткань человека.

Всё эту нужно для получения множества образцов живой ткани для проведения медицинских опытов. В обычных условиях биологический материал получают либо от доноров, либо в виде отходов после операций. В обоих случаях процедура и порядок получения биоматериалов достаточно сложные и становятся всё сложнее и сложнее, поэтому даже такой доморощенный принтер из конструктора LEGO может быть приемлемым решением для медицинских экспериментов.

Данные о разработке с детальным описанием сборки, настройки и работы принтера изложены в журнале Advanced Materials и свободно доступны по ссылке. Повторить работу может любой желающий.