นักวิจัยพัฒนาสปิโนบอตส์ขนาดเล็กที่มีกล้ามเนื้อและเนื้อเยื่อกระดูกสันหลังของหนู

ในความก้าวหน้าที่สำคัญและไม่คาดคิดของหุ่นยนต์, นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญได้พัฒนาสปิโนบอตส์ขนาดเล็กที่สามารถเดินได้ โดยใช้กล้ามเนื้อและเนื้อเยื่อกระดูกสันหลังของหนู ซึ่งถูกฝังไว้ในโครงกระดูกไฮโดรเจล 3 มิติที่อ่อนนุ่ม

ก่อนที่จะมีการพัฒนาล่าสุด หุ่นยนต์ทางชีววิทยาจะพึ่งพาการหดตัวของกล้ามเนื้อเพื่อเคลื่อนที่ไปข้างหน้า แต่ด้วยการใช้กระดูกสันหลังในหุ่นยนต์ใหม่เหล่านี้ ทำให้พวกมันสามารถเดินได้ด้วยจังหวะที่เป็นธรรมชาติ

มาร์ธา กิลเล็ตต์ เป็นผู้นำการศึกษาและเป็นศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาเซลล์และพัฒนาการ

“สิ่งเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นของทิศทางที่มุ่งสู่อุปกรณ์ทางชีววิทยาที่สามารถโต้ตอบได้ ซึ่งอาจมีการใช้งานในด้านการคำนวณประสาทและ दवายาเพื่อการฟื้นฟู” กิลเล็ตต์ กล่าว

ผลการวิจัย ถูกตีพิมพ์ในวารสาร APL Bioengineering

การสร้างสปิโนบอตส์

เพื่อสร้างสปิโนบอตส์ นักวิจัยได้พิมพ์กระดูกสันหลังขนาดเล็กก่อน โดยมีเสา 2 เสาที่ทำหน้าที่เป็นขา และ “กระดูกสันหลัง” ที่ยืดหยุ่นได้ จากนั้นกระดูกสันหลังถูกปลูกถ่ายด้วยเซลล์กล้ามเนื้อที่เติบโตเป็นเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อ และส่วนของกระดูกสันหลังลัมบาร์ถูกนำมาจากหนูและรวมเข้ากับกระดูกสันหลัง

คอลิน คอฟแมน เป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและเป็นผู้เขียนบทความหลัก

“เราเลือกกระดูกสันหลังลัมบาร์โดยเฉพาะเพราะงานก่อนหน้านี้ได้แสดงให้เห็นว่ามันบรรจุวงจรที่ควบคุมการสลับซ้าย-ขวาสำหรับขาในการเดิน” คอฟแมน กล่าว “จากมุมมองของวิศวกรรมศาสตร์ เซลล์ประสาทจำเป็นต้องขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวของกล้ามเนื้อที่ซับซ้อนและประสานกันมากขึ้น อุปสรรคที่ท้าทายที่สุดสำหรับการให้ประสาทสัมผัสคือไม่มีใครเคยเพาะเลี้ยงกระดูกสันหลังของหนูให้สมบูรณ์มาก่อน”

การออกแบบวิธีการรวมกระดูกสันหลัง

นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการเพื่อแยกกระดูกสันหลังที่สมบูรณ์และเพาะเลี้ยงมัน รวมถึงการรวมเข้ากับหุ่นยนต์ขณะเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อกล้ามเนื้อและประสาทด้วยกัน ในขณะทำเช่นนี้ พวกเขาต้องแน่ใจว่าเซลล์ประสาทสร้างจุดเชื่อมต่อกับกล้ามเนื้อ

หลังจากออกแบบวิธีการใหม่ นักวิจัยได้สังเกตการหดตัวของกล้ามเนื้อที่เกิดขึ้นในสปิโนบอตส์ ซึ่งหมายความว่าจุดเชื่อมต่อประสาท-กล้ามเนื้อได้สร้างขึ้นจริง และเซลล์ทั้งสองประเภทกำลังสื่อสารกัน เพื่อให้แน่ใจว่ากระดูกสันหลังทำงาน ซึ่งจำเป็นต่อการเดิน นักวิจัยได้ใช้กลูตาเมต

กล้ามเนื้อหดตัวและขาเคลื่อนไหวด้วยจังหวะที่เป็นธรรมชาติเนื่องจากกลูตาเมต และเมื่อมันถูกถอดออก สปิโนบอตส์ก็ไม่เดินอีกต่อไป

ขั้นตอนต่อไปสำหรับนักวิจัยรวมถึงการปรับปรุงการเคลื่อนไหวของสปิโนบอตส์ให้มากขึ้น โดยที่พวกมันจะเคลื่อนไหวได้มากขึ้นตามธรรมชาติ ความหวังของพวกเขาคือการสร้างแบบจำลองในห้องปฏิบัติการของระบบประสาทส่วนปลายที่มีการรวมกระดูกสันหลังขนาดเล็ก

“การพัฒนาระบบประสาทส่วนปลายในห้องปฏิบัติการ — กระดูกสันหลัง, การเติบโตของประสาท, และกล้ามเนื้อที่ได้รับการให้ประสาทสัมผัส — อาจช่วยให้นักวิจัยสามารถศึกษาการเสื่อมของระบบประสาท เช่น โรค ALS ได้ในเวลาจริงและเข้าถึงส่วนประกอบที่ได้รับผลกระทบได้ง่ายขึ้น” คอฟแมน กล่าว “มีหลายวิธีที่เทคโนโลยีนี้สามารถใช้เป็นเครื่องมือฝึกอบรมศัลยกรรม ตั้งแต่การทำงานเป็นตัวตนที่ทำจากเนื้อเยื่อทางชีววิทยาจริงๆ ไปจนถึงการช่วยในการทำศัลยกรรมเอง สิ่งเหล่านี้เป็นการใช้งานในอนาคตที่อยู่ห่างออกไป แต่การรวมวงจรกระดูกสันหลังที่สมบูรณ์เป็นขั้นตอนสำคัญไปข้างหน้า”