Forskare Utvecklar Små “Spinobots” med Råtta Muskler och Ryggmärgsvävnad

I en märklig och viktig utveckling inom robotteknik har forskare vid University of Illinois at Urbana-Champaign utvecklat små “spinobots” som kan gå. De drivs av råtta muskler och ryggmärgsvävnad, som finns på den mjuka, 3D-utskrivna hydrogelskelettet.

Tidigare var biologiska robotar beroende av enkel muskelkontraktion för att röra sig framåt. Med användning av ryggmärgen i dessa nya robotar kan de gå med en mer naturlig rytm.

Martha Gillette är studiens ledare och professor i cell- och utvecklingsbiologi.

“Detta är början på en riktning mot interaktiva biologiska enheter som kan ha tillämpningar inom neurodatorer och restaurerande medicin”, sa Gillette.

Resultaten publicerades i tidskriften APL Bioengineering.

Att Skapa Spinobots

För att bygga spinobots tryckte forskarna först ut det lilla skelettet. Det hade två stolpar som fungerade som ben, samt en flexibel “ryggrad”. Skelettet såddes sedan med muskelceller som växte till muskelvävnad, och en segment av ländryggmärg togs från en råtta och integrerades i det.

Collin Kaufman är en doktorand och den första författaren till artikeln.

“Vi valde specifikt ländryggmärgen eftersom tidigare arbete har visat att den innehåller de kretsar som kontrollerar vänster-höger alternation för nedre extremiteter under gång”, sa Kaufman. “Ur ett ingenjörsperspektiv är neuroner nödvändiga för att driva alltmer komplexa och samordnade muskelrörelser. Det största hindret för innervering var att ingen tidigare hade odlat en intakt råttryggmärg.”

Att Utforma En Metod för Att Integrera Ryggmärgen

Forskarna utvecklade en metod för att extrahera den intakta ryggmärgen och odla den, samt integrera den i roboten medan de odlade muskel- och nervvävnad tillsammans. När de gjorde detta måste de se till att neuronerna bildade förbindelser med muskeln.

Efter att ha utformat den nya metoden observerade forskarna muskelkontraktioner som ägde rum i spinobots. Detta betydde att de neuro-muskulära förbindelserna faktiskt bildades, och de två olika typerna av celler kommunicerade. För att säkerställa att ryggmärgen fungerade, vilket behövs för gång, använde forskarna glutamat. Glutamat är en neurotransmittor som hjälper nervceller att signalera till muskeln att kontrahera.

Muskeln kontraherade och benen rörde sig i en naturlig rytm på grund av glutamatet, och när det togs bort gick spinobotsen inte längre.

Nästa steg för forskarna inkluderar att förbättra rörelserna hos spinobots, så att de blir ännu mer naturliga. Deras förhoppning är att in vitro-modeller av det perifera nervsystemet kan skapas genom att använda småskalig ryggmärgsintegration.

“Utvecklingen av ett in vitro-perifert nervsystem — ryggmärg, utväxter och innerverad muskel — kunde tillåta forskare att studera neurodegenerativa sjukdomar som ALS i realtid med större tillgänglighet till alla påverkade komponenter”, sa Kaufman. “Det finns också en mängd olika sätt som denna teknik kan användas som ett kirurgiskt träningsverktyg, från att fungera som en övningsdocka gjord av riktigt biologisk vävnad till att faktiskt hjälpa till att utföra kirurgin själv. Dessa tillämpningar är, för närvarande, i en ganska avlägsen framtid, men inkorporeringen av en intakt ryggmärgskrets är ett viktigt steg framåt.”