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Science:美科学家研发出光活化大鼠细胞提供动力的机械魟

摘要 : 2016年7月8日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国哈佛大学研究人员的一项研究成果,研究人员制造出了一种魟鱼机械模拟,它是由光敏大鼠心脏细胞提供动力和制导的。

 2016年7月8日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了美国哈佛大学研究人员的一项研究成果,研究人员制造出了一种魟鱼机械模拟,它是由光敏大鼠心脏细胞提供动力和制导的。鳐鱼类包括魟鱼,它们以其扁平身体和从其头部延伸而成的长翼状鳍而著称。这些鳍会模仿由鳍前至鳍后的高能效波浪状运动来移动,令鳐鱼类能优雅地在水中穿行。受到这种构造的启发,Sung-Jin Park等人致力于建造一种具有类似性质和功效的微型、软组织机械。他们制造了模拟魟鱼形状的电荷中性的金质骨架,其外覆盖着一薄层弹性聚合物。沿着该机械魟鱼的顶部,他们策略性地排列了大鼠的心肌细胞。当受到刺激时,这些心肌细胞会令鳍部向下收缩。刺激这些鱼鳍回复至向上运动则需要第二层的心肌细胞;但是研究人员所设计的金质骨架的形状储存着某些向下的能量,它们源自这些心肌细胞最初受到刺激之时,并会在心肌细胞松弛时被释放,令鱼鳍抬高。这些心肌细胞通过遗传工程而会对光做出反应,因此研究人员能通过光脉冲来控制该机械鱼运动。不对称脉冲可被用来让该机械鱼向左或右转,不同频率的光线可被用来控制其运动速度,作者们在一系列的视频中进行了演示。该方法好到足以指导机械鱼通过一个基本的障碍训练场。该机械魟鱼含有大约20万个心肌细胞,它的长度为16毫米,重量仅10克。

原文链接:

Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray

原文摘要:

Inspired by the relatively simple morphological blueprint provided by batoid fish such as stingrays and skates, we created a biohybrid system that enables an artificial animal—a tissue-engineered ray—to swim and phototactically follow a light cue. By patterning dissociated rat cardiomyocytes on an elastomeric body enclosing a microfabricated gold skeleton, we replicated fish morphology at 1/10 scale and captured basic fin deflection patterns of batoid fish. Optogenetics allows for phototactic guidance, steering, and turning maneuvers. Optical stimulation induced sequential muscle activation via serpentine-patterned muscle circuits, leading to coordinated undulatory swimming. The speed and direction of the ray was controlled by modulating light frequency and by independently eliciting right and left fins, allowing the biohybrid machine to maneuver through an obstacle course.

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