更新ポリマー骨格の上にマウスの筋肉組織を伸ばし、無線周波数エネルギーを光に変換できる電子機器を取り付けると何が得られますか?
バイオエレクトロニック ボットが、電源を接続せずに自力で動き始めると、おそらく少しショックを受けるでしょう。
米国のイリノイ大学、ノースウェスタン大学、南カリフォルニア大学、そして中国の大連理工大学に所属する21人もの科学者が、木曜日に科学誌「サイエンス・ロボティクス」に掲載された論文でこの偉業について述べている。
著者: Yongdeok Kim、Yiyuan Yang、Xiaotian Zhang、Zhengwei Li、Abraham Vázquez-Guardado、Insu Park、Jiaojiao Wang、Andrew I. Efimov、Zhi Dou、Yue Wang、 Junehu Park、Haiwen Luan、Xinchen Ni、Yun Seong Kim、Janice Baek、Joshua Jaehyung Park、Zhaoqian Xie、Hangbo が含まれます。チャオ、マッティア・ガッツォーラ、ジョン・A・ロジャース、ラシード・バシール。
「バッテリー不要の無線オプトエレクトロニクスによる筋肉駆動型小型ロボットの遠隔制御」と題された彼らの論文では、3Dプリントされたハイドロゲル足場によって支えられた光感受性生物組織を無線オプトジェネティクスセンサーと統合するプロセスについて説明している。
恐ろしい未来を目の当たりにせよ…二足歩行のeBiobot。写真提供：Yongdeok Kim
オプトジェネティクスは、光に敏感な細胞、あるいは光に敏感に作られた細胞を対象とする。今回の研究では、研究者らはマウスの筋肉を光に対して敏感にし、光が当たると組織が収縮するようにした。
マイクロLEDのような光源を点灯させるには、通常、バッテリーなどの有線電源が必要です。この力強いミニロボットの製作者は、アンテナコイルを用いた共鳴磁気誘導によって得られる無線周波数放射を介して電力をワイヤレスで伝送することを選択しました。
集められたエネルギーは、オンボードのマイクロ LED を活性化し、筋肉の収縮を促してアセンブリ全体を動かします。このビデオのデモで確認できます。
YouTubeビデオ
こうして生まれた「eバイオボット」は、バイオエレクトロニクスのハイブリッド、つまりサイボーグを想像するほど恐ろしくはない。ターミネーターよりも筋肉とシリコンがゼリー状に固まったような感じだ。
動きは遅く、LEDの数にもよりますが、1秒あたりわずか0.3～0.8ミリメートルしか動きません。以下は、この技術を説明する動画です。
「数センチメートルの歩行ロボットは、複数のオプトジェネティック骨格筋を独立して刺激するオンボードオプトエレクトロニクスを搭載するように計算的に設計、最適化されており、個人レベルと集団レベルの両方で歩行、旋回、耕作、輸送機能の遠隔制御を実現した」と論文は説明している。
「この研究は、生物学的な作動と感知をオンボードコンピューティングと組み合わせることができるバイオハイブリッドマシンの実現への道を開くものです。」
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のニュース局によると、論文の共著者の一人であるノースウェスタン大学のジョン・A・ロジャース教授は、このプロジェクトは「自己修復、学習、進化、通信、自己組織化を行う工学システムを生み出す大きな機会を切り開く」と語った。
研究者たちはこの技術の医療および環境センシングへの応用を検討しているのでご安心ください。®
追加更新
この記事の掲載後に届いた質問に対する電子メールでの回答で、論文の共著者のうち2人、カリフォルニア大学バークレー校の博士研究員でイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の元大学院研究助手であるヨンドク・キム氏と、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のグレインジャー工学部学部長でバイオエンジニアリングの教授であるラシッド・バシール氏が、eBiobotプロジェクトについて詳しく説明しました。
The Register:遠隔信号に反応するバイオハイブリッドマシンの潜在的な用途として、どのようなものを想定されていますか？主に診断や介入といった医療用途でしょうか？
キム氏とバシル氏：「マイクロエレクトロニクスとバイオハイブリッドマシンを組み合わせることで、バイオメディカル分野だけでなく、環境モニタリングや防衛など、様々な分野における潜在的な応用が開拓されます。本研究では、バイオハイブリッドロボットの遠隔操作による駆動と歩行のみを示しましたが、このプラットフォームに他の電子センサーや複雑な回路を統合することで、多様な応用が実現できる可能性があります。」
登録:この作業が進むにつれて、どのような種類の組織をどのように使用できるかを指定するための適切なプロトコルと規制はありますか?
キム氏とバシール氏：「これは非常に良い質問です。私たちは複数の方法でこれに答えます。」
まず第一に、この研究で使用するマウス細胞の使用については、必ず機関の承認を得ています。もちろん、このデバイスはヒトや幹細胞など、他の種類の細胞や組織を使用することもできます。しかし、概ね、私たちのチーム（バシル氏ら）は、この種の研究における倫理的配慮について、多くの同僚と協力して取り組んできました。
私たちは、このような多細胞工学生体システムの開発に関する倫理ガイドラインを策定しました。例えば、「多細胞工学生体システム：創発に関する責任ある研究を中心としたコミュニティの構築」（Biofabrication、2019年）をご覧ください。
これはまだ決定的な研究ではなく、生体システムや機械の開発が人類と環境の利益のために行われるよう、ガイドラインと方針をさらに策定する必要があります。このプラットフォームに他の種類の組織を統合することは非常に興味深く、相乗効果をもたらすことに留意する必要があります。特に、ニューロンをこのシステムに統合することは大きな可能性を秘めています。
運動ニューロンと骨格筋の間に神経支配システムを持ち、マイクロエレクトロニクスによる閉ループ制御を備えた自律歩行バイオハイブリッドロボットを想像できます。また、ニューロンとマイクロエレクトロニクス間の通信は、生物と人工知能間のサイバネティック通信にも応用できる可能性があります。
The Register:このような研究を商業化する上で、最も差し迫った課題は何でしょうか？例えば、生物医学の進歩、電子機器の小型化と材料、規制などでしょうか？
キム氏とバシール氏：「商業化はまだ先のことだと考えています。これらのデバイスは、生物学の力を活用するより高度な機械の基盤となるものです。現在、eBiobotは哺乳類細胞を使用しているため、グルコースを豊富に含む液体内で37度の温度でのみ作動します。」
しかし、将来的には昆虫細胞や両生類細胞の利用により、室温を含む動作温度範囲の拡大が可能になるかもしれません。また、上皮組織や血管新生を組み合わせることで、バイオハイブリッドロボットは培養皿の外で乾燥した状態でも移動できるようになります。
The Register:一般の人々が生物システムと電子システムの統合を誤解する可能性があるという懸念から、このような研究の実施方法や議論方法については慎重になる必要があるでしょうか?
キムとバシール：「もちろんです。こうしたシステムは、人々の健康増進や環境の持続可能性向上のために活用されるよう徹底する必要があります。例えば、こうしたシステムの開発における設計ルールや理解は、義肢などの開発に役立つ可能性があります。」
