Forskere Utvikler Miniatyrbakterier “Spinobots” med Rottemuskel og Ryggmargsvæv

I en merkelig lydende og viktig utvikling innen robotikk, har forskere ved University of Illinois at Urbana-Champaign utviklet miniatyrbakterier “spinobots” som kan gå. De er drevet av rottemuskel og ryggmargsvæv, som er til stede på den myke, 3D-utskrevne hydrogelskjelettet.

Før de nye utviklingene, avhengig biologiske roboter av enkel muskelkontraksjon for å gå fremover. Med bruk av ryggmargen i disse nye robotene, kan de gå med en mer naturlig rytme.

Martha Gillette er studieleder og professor i celle- og utviklingsbiologi.

“Dette er begynnelsen på en retning mot interaktive biologiske enheter som kan ha anvendelser for neurocomputing og for restaurerende medisin,” sa Gillette.

Funndene ble publisert i tidsskriftet APL Bioengineering.

Å lage Spinobots

For å bygge spinobots, trykket forskerne først det miniatyrbakterieskjelettet. Det hadde to stolper som fungerte som ben, samt en fleksibel “rygg”. Skjelettet ble deretter sådd med muskelceller som vokste til muskelvæv, og et segment av lumbal ryggmarg ble tatt fra en rotte og integrert i det.

Collin Kaufman er en doktorgradsstudent og første forfatter av artikkelen.

“Vi valgte spesifikt lumbal ryggmarg fordi tidligere arbeid har demonstrert at den husker kretsene som kontrollerer venstre-høyre alternasjon for nedre lemmer under ganging,” sa Kaufman. “Fra et ingeniørperspektiv er nevroner nødvendige for å drive mer komplekse, koordinerte muskelbevegelser. Det største hindret for innervation var at ingen hadde noen gang dyrket en intakt rotte ryggmarg før.”

Å designe en metode for å integrere ryggmargen

Forskerne utviklet en metode for å trekke ut den intakte ryggmargen og dyrke den, samt integrere den i roboten mens de dyrket muskel- og nervevæv sammen. Når de gjorde dette, måtte de sikre at nevronene dannet junctioner med muskelen.

Etter å ha designet den nye metoden, observerte forskerne muskelkontraksjoner som skjedde i spinobots. Disse indikerte at neuro-muskulære junctioner faktisk dannet seg, og de to ulike typene celler kommuniserte. For å sikre at ryggmargen fungerte, som er nødvendig for ganging, brukte forskerne glutamat. Glutamat er en neurotransmitter som hjelper nerveceller å signalisere muskelen til å kontrahere.

Muskelen kontraherte og benene beveget seg i en naturlig rytme på grunn av glutamatet, og en gang det var fjernet, gikk spinobots ikke lenger.

De neste stegene for forskerne inkluderer å finpusse bevegelsene til spinobots, slik at de blir enda mer naturlige. Deres håp er at in vitro-modeller av det perifere nervesystemet kan skapes gjennom bruk av småskala ryggmargintegrering.

“Utviklingen av et in vitro perifert nervesystem — ryggmarg, utvekster og innervert muskel — kunne tillate forskere å studere neurodegenerative sykdommer som ALS i sanntid med større tilgang til alle berørte komponenter,” sa Kaufman. “Det er også en rekke måter som denne teknologien kunne brukes som et kirurgisk treningsverktøy, fra å fungere som en øvingsdukke laget av ekte biologisk væv til å faktisk hjelpe med å utføre kirurgien selv. Disse anvendelsene er, for nå, i en ganske fjern fremtid, men inklusjonen av en intakt ryggmargkrets er et viktig skritt fremover.”