Учёные предложили выращивать ткани для трансплантации в роботах

За последние пару десятков лет робототехника достигла значительных результатов. Четырехногие роботы, колесные роботы, сверхточные манипуляторы — все это лишь часть того обилия моделей, которое мы сейчас наблюдаем. Из всех видов роботов наибольший интерес обывателей и ученых, пожалуй, вызывают гуманоидные системы. Такие устройства сейчас активно помогают людям — их используют в гостиничном бизнесе, в научных и военных разработках, в быту и медицине. В качестве примера наиболее совершенных моделей можно привести Kenshiro и Eccerobot. У этих роботов есть аналог костей и мускулов (разработчики изначально планировали повторить строение тела человека), так что их движения напоминают человеческие.

Поскольку анатомия этих роботов приближена к оригиналу, то некоторые ученые рассматривают возможность создания из таких систем так называемых биореакторов. Назначение всякого биореактора — создание оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нём клеток и микроорганизмов, а именно обеспечивать дыхание, подвод питания и отвод метаболитов путём равномерного перемешивания газовой и жидкой составляющих содержимого биореактора. В этой статье речь идет о системах по выращиванию тканей для пересадки пациентам-людям. В то время, как органы можно брать для трансплантации у доноров, медикам часто требуются сухожилия, связки, кости, хрящи. Понемногу их учатся выращивать, но для того, чтобы поставить «производство на поток», нужны биореакторы, где можно выращивать фрагменты тканей по заданным параметрам.

Кроме того, чтобы свойства таких тканей соответствовали критериям трансплантации, выращивать их нужно в определенных условиях, включая наличие необходимых для роста веществ и определенной механической нагрузки или механической стимуляции, как еще называют этот фактор.

К сожалению, сделать это не так просто, поскольку конструкция современных биореакторов во многом примитивна. В механическом биореакторе перемешивание производится механической мешалкой, что приводит к недостаточно равномерному перемешиванию с одной стороны, и к гибели микроорганизмов с другой. Режим перемешивания можно изменять, но оптимальным такой тип реакторов сложно назвать. Процессы, которые происходят в реальном организме, включая механические нагрузки, такие реакторы воспроизводить не в состоянии. В результате страдает качество выращиваемых тканей.

Оптимальная конструкция биореактора должна предусматривать возможность добавления механических нагрузок для различных направлений, эмуляцию режима механических нагрузок для тканей разного типа, в соответствии с анатомическим расположением конкретных тканей и общее соответствие условий выращивания тканей условиям в теле человека.

По мнению биолога Эндрю Карра (Andrew Carr) и его коллег, конструкция биореактора должна повторять анатомию человеческого тела — тех его частей, для которых выращиваются ткани. Поэтому гуманоидные роботы со скелетом и мускулами, повторяющими конфигурацию скелета и мускулов человека — оптимальный вариант.

Специалисты из Токийского университета предложили свой вариант такой системы. Это робот Kenshiro. Японцы работают с этим проектом уже около 7 лет, значительно усовершенствовав конструкцию робота.

Конфигурация корпуса этой системы аналогична структуре тела 12-летнего японского мальчика. Высота его составляет 158 сантиметров, вес — 50 кг. Тело робота оснащено почти полным набором мускулов, который есть и у человека. Всего ученые добавили 160 таких мускулов: 50 в ногах, 76 — торс, 12 — плечи, 22 — шея. На данный момент Keshiro — наиболее совершенное повторение анатомии человека в роботе.

Что общего между биореактором и этим роботом? Эндрю Карра считает, что Keshiro или другие схожие системы можно преобразовать в продвинутые биореакторы. Клетки мускулов будут наращиваться на электроактивных полимерах искусственных мускулов робота. В процессе роста новые ткани будут подвергаться механическим нагрузкам, так что полученные образцы будут соответствовать всем необходимым требованиям. Аналогичным образом ученые собираются выращивать и другие ткани, включая сухожилия и хрящи.

Биореактор будущего вполне может выглядеть, как модель терминатора Т-800. На металлическом или полимерном каркасе постепенно наращиваются ткани человека, включая мускулы, хрящи, связки, кожу. Весь робот или его отдельные элементы двигаются, так что ткани подвергаются необходимым механическим нагрузкам. По истечению определенного срока эти ткани снимаются с каркаса для пересадки донору-человеку. Такие биореакторы исключат необходимость проведения опытов с животными в клинических испытаниях.

Кстати, в далеком будущем события могут развиваться и по-другому: люди будут постепенно превращаться в роботов, точнее, в киборгов.

DOI: 10.1126/scirobotics.aam5666