Биомеханика на уровне молекул

Так художник изобразил химического бота.

Некоторые эксперты считают, что первый трактат о биомеханике принадлежит… Аристотелю. Он назывался «О движении животных». В XVII веке Джованни Борели выпустил двухтомный трактат под тем же названием «De Motu Animalium», «О движении животное». Через два века, в 1899 году, был предложен термин «биомеханика». 

Основателем биомеханики в СССР считается психофизиолог и физиолог Николай Бернштейн (1896–1966), который объединил ее с нейрофизиологией. Свои исследования он вел в Институте труда. Главная его работа – «Общая биомеханика». Это направление в современной науке оказалось чрезвычайно плодотворным. Копилка примеров, использующих методы биомеханики, постоянно пополняется. Вот один из недавних…

Все знают рыб-прилипал, спинной плавник которых преобразовался в мощную присоску, позволяющую удерживаться под акулой, движущейся в море со скоростью 1,5 м/с. Сотрудники университета в китайском г. Бейхань в сотрудничестве с коллегами из США создали аналог присоски, успешно заменившей эффектор-актуатор роботизированной кисти.

В 2017 году мировые СМИ уделили большое внимание предыдущей разработке ученых, представивших миру робота-ската, движущегося в воде со скоростью 6 см/с. Новая разработка представляет собой овальную площадку с 1000 остроконечных стерженьков из углеволокна. Их диаметр у основания – 270 микрон (мкм). Создается вся эта конструкция с помощью лазера. По команде стерженьки могут складываться, обеспечивая прилипание, и подниматься, чтобы отсоединиться от поверхности. Это обеспечивает прочное удержание на коже акул и дельфинов, картонной и деревянной поверхностях. Так,  для того, чтобы оторвать робота-присоску от плексиглаза, пришлось затратить 436 ньютон энергии. Создание робота-«прилипалы» занимает в лаборатории всего два дня.

Совсем иная задача стояла в Стэнфорде перед создателями робота-змейки. Новый робот длиной 35 м ползет на поверхности со скоростью 35 км/час. Он оснащен тремя камерами и предназначен для проползания к заданной цели в сложных 3D-лабиринтах. Робот может поднимать груз до 75 кг. Таким образом, его вполне можно использовать для извлечения жертв из-под завалов. В своей миниатюрной версии это прекрасный хирургический катетер.

Акустический бот для сепарации экзосом (розовые сферы). Слева и справа от капилляра расположены звукогенераторы разной частоты. Фото Physorg

Не оставляют ученые своим вниманием и различных пациентов-спинальников, которые не могут передвигаться без посторонней помощи. Новый вариант роботизированного экзокостюма, созданный биоинженерами Национального института здоровья в вашингтонском пригороде Бетезда, помогает – пока детям-паралитикам – самостоятельно двигаться. (Кстати, вашингтонский пригород назван в память об иерусалимской купальне, о которой говорится в Евангелии от Иоанна, где Сын Божий вроде бы сказал расслабленному: «Встань и иди!»)

Детский экзокостюм с компьютером в заплечном рюкзаке успешно прошел испытания на нескольких пациентах с центральным параличом в возрасте от пяти до 19 лет. Такой паралич связан с проблемами в головном мозге и вызван гибелью мотонейронов спинного мозга.

В Манчестерском университете создали первого химробота – он собран из 150 атомов азота, водорода, кислорода и углерода. Используя нано-«руку», он способен переносить с места на место молекулярный груз, способствуя протеканию химических реакций в нужном направлении. При этом робот отвечает на простые химические команды-сигналы. Для этого достаточно добавить в реакционную «камеру» молекулы серосодержащего метилового спирта, называемоего еще меркаптаном. Название свое он получил за способность улавливать ртуть-меркурий. Противоположным по действию сигналом является алкен, например ацетилен.

Специфичность робота проявляется в переносе вещества-субстрата в разные сайты активации, что позволяет получать отличающиеся продукты. Он может также осуществлять стереоселекцию с получением 3D-изомеров с различными характеристиками (в состав белков, например, входят «левые» аминокислоты, а в составе нуклеиновых кислот – «правые» сахара). Авторы ожидают, что в ближайшем будущем программируемые молекулярные машины смогут существенно продвинуть органический синтез и «конвейерное» молекулярное производство.

Источником энергоснабжения робота могут быть… звуковые волны, которые, встречаясь друг с другом, дают стоячую волну с узлами повышенного давления. Они и стали средством разделения элементов крови в микроточном – микрофлюидном – роботе (или устройстве с канальцами капиллярного сечения). Еще три года назад сотрудники Массачусетского технологического института близ Бостона показали, что с помощью акустического воздействия легко разделить указанные элементы, имеющие разное сечение. Усовершенствование метода расширило его возможности. Теперь можно сепарировать так называемые экзосомы, или выделяемые наружу пузырьки диаметром 30–150 нанометров (0,03–0,15 микрон; размеры клеточных элементов варьируют от 2 до 10 и более мкм).

Экзосомы переносят различные молекулы, например микроРНК, представляющие собой маркеры состояний клеток. Проблема, однако, в том, что экзосомы и другие клеточные составляющие разделяют с помощью ультра-центрифугирования в течение суток. Это дорого и приводит к повреждению столь информоемких образований. В новый микрофлюидный робот помещается 100 микролитров – одна миллионная литра – крови, после чего с помощью звука сначала отделяются клеточные элементы, а на втором этапе выделяются экзосомы. Вся процедура отделения «плевел от зерен» занимает всего лишь полчаса.

Создатели нового устройства для анализа крови, описавшие его в журнале «Труды Академии наук США» (PNAS), работают сейчас над его усовершенствованием. Их цель – добиться еще большего качества экзосом и сокращения времени их выделения до 10 минут.