بناء الروبوت البيولوجي

يصنع الخبراء الروبوتات البيولوجية عن طريق تنمية الخلايا الحية، المأخوذة عادة من عضلات القلب أو العضلات الهيكلية للجرذان أو الدجاج، وتتم عملية التنمية على قواعد غير سامة للخلايا. وإذا كانت الطبقة القاعدية بوليميرية، فإن الجهاز الناتج هو روبوت بيولوجي هجين، أي يجمع ما بين المواد الطبيعية والمواد التي صنعها الإنسان.
إذا وضعت الخلايا على قالب هيكلي ببساطة بدون أي نوع من التوجيه، ستكون المحصلة عشوائية. أي إن قوى التقلص للخلايا سيتم تطبيقها في جميع الاتجاهات عندما يقوم الباحثون بتحفيزها كهربائياً حتى تتحرك، مما يجعل الجهاز ضعيف الفعالية في أحسن الأحوال.
وبالتالي، لاستخلاص قوة الخلايا بأفضل شكل ممكن، لجأ الباحثون إلى التنميط الميكروي. حيث نقوم بختم أو طبع خطوط ميكروية القياس على الهيكل المصنوع من المواد التي تفضل الخلايا الالتصاق بها. وتقوم هذه الخطوط بتوجيه الخلايا أثناء نموها، بحيث تتراصف وفق النمط المطبوع. ومع تراصف الخلايا بشكل جيد، يمكن للباحثين توجيه كيفية تطبيق قوة التقلص لها على الطبقة القاعدية. وبدلاً من الخلايا التي تعمل بشكل عشوائي، يمكن أن تعمل بشكل موحد لتحريك ساق أو زعنفة للجهاز.

الروبوتات البيولوجية الهجينة المستوحاة من الحيوانات
بعد أن صنع الباحثون مجموعة كاملة من الروبوتات البيولوجية الهجينة، وصلوا إلى مرحلة صنع بعض الروبوتات العضوية بالكامل باستخدام المواد الطبيعية، مثل الكولاجين في البشرة، بدلاً من البوليميرات لجسم الجهاز. يمكن لبعضها أن يزحف أو يسبح عند تحفيزه بحقل كهربائي. وقد تم استيحاء بعضها من التقنيات الطبية لهندسة الأنسجة وتستخدم أذرعاً طويلة مستطيلة الشكل (أو عتلات) لسحب نفسها إلى الأمام.
اعتمد باحثون آخرون على الطبيعة في أفكارهم، فصنعوا روبوتات بيولوجية هجينة مستوحاة من الكائنات الحية. مثل مجموعة يقودها باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، والتي قامت بتطوير روبوت بيولوجي هجين مستوحى من قنديل البحر. أطلق على هذا الجهاز اسم ميدوسويد، وله أذرع دائرية التوزع. وكل ذراع تم تنميطها ميكروياً بخطوط بروتينية، بحيث تنمو الخلايا في أنماط مشابهة للعضلات في قنديل البحر الحقيقي. وعندما تتقلص الخلايا، تنحني الأذرع إلى الداخل، بحيث تدفع هذا الروبوت البيولوجي الهجين إلى الأمام ضمن سائل غني بالمغذيات.
مؤخراً، عرض الباحثون كيفية توجيه اختراعاتهم البيولوجية الهجينة. حيث استخدم باحثون من هارفارد خلايا قلبية معدلة جينياً لجعل روبوت على شكل سمكة شيطان البحر (Manta-ray) يسبح. فقد تم تعديل الخلايا القلبية لتتقلص، استجابةً لترددات ضوئية محددة، حيث وضعت خلايا تستجيب لتردد معين في أحد جانبي الروبوت، ووضعت خلايا تستجيب لتردد آخر في الجانب الآخر.
عندما سلط الباحثون الضوء على مقدمة الروبوت، تقلصت الخلايا هناك وأرسلت إشارات كهربائية إلى الخلايا الأخرى في جسمه. وانتشرت التقلصات عبر جسم الروبوت، مسببة تحركه إلى الأمام. وجعل الباحثون الروبوت ينعطف يميناً أو يساراً بتغيير تردد الضوء المستخدم. حيث تزداد تقلصات أحد جانبي الروبوت إذا تمت تقوية الضوء ذي التردد الذي تستجيب له خلايا ذلك الجانب، ما سمح للباحثين بتوجيه حركة الروبوت.
تقوية الروبوتات البيولوجية
على الرغم من التطورات المثيرة التي حصلت في حقل الروبوتات البيولوجية الهجينة، فإن هناك الكثير من العمل الذي يجب إنجازه لتصبح هذه الأجهزة قادرة على العمل خارج المخابر. حالياً، تتصف هذه الأجهزة بأعمار محدودة، وقوة ضئيلة، ما يحد من سرعتها وقدرتها على إكمال مهامها. كما أن الروبوتات المصنوعة من خلايا الثديات أو الطيور حساسة جداً بالنسبة لظروف البيئة المحيطة بها. وعلى سبيل المثال، فإن الحرارة المحيطة يجب أن تكون قريبة من حرارة الجسم الحقيقي، وتتطلب الخلايا تغذية منتظمة بسوائل غنية بالمغذيات. يكمن أحد الحلول في تغليف الأجهزة بحيث تكون العضلات محمية من البيئة الخارجية، ومغمورة على الدوام بالمغذيات.
يمكن أيضاً استخدام خلايا أكثر قوة للعب دور المشغلات الميكانيكية. وقد بدأنا مؤخراً، هنا في جامعة كيس ويسترن ريزيف، بدراسة هذا الاحتمال، وذلك باستخدام البزاقة (البزاق هو حلزون عديم القوقعة) البحرية القوية أبليسيا كاليفورنيكا. وبما أنها تعيش في منطقة المد، فإنها تتعرض لتغيرات كبيرة في درجات الحرارة وملوحة البيئة المحيطة خلال اليوم. وعندما يتراجع المد، يمكن أن تحتجز هذه البزاقة ضمن البرك المدية. ومع التعرض لأشعة الشمس، يتبخر الماء وتزداد الحرارة. وبالعكس، عند هطول المطر، تتناقص ملوحة المياه المحيطة. وعند عودة المد بعد ذلك، يتم تحرير البزاقات من هذه البرك المدية. لقد تطورات البزاقات البحرية لتصبح خلاياها شديدة القوة لتحمل هذه التغيرات في البيئة المحيطة.

تمكّنا من استخدام نسيج بزاقة ابليسيا للمشغلات الميكانيكية لروبوت بيولوجي هجين، مما يقترح إمكانية تصنيع روبوتات بيولوجية أكثر قوة باستخدام هذه الأنسجة المتينة. هذه الأجهزة كبيرة بما يكفي لحمل جسم صغير، يقارب 1.5 إنش طولاً و 1 إنش عرضاً.
أما التحدي الأكثر صعوبة في تطوير روبوتات بيولوجية، فهو أن هذه الأدوات لا يوجد فيها حالياً أي شكل من أشكال أنظمة التحكم. وبدلاً من هذا، يتحكم بها المهندسون عبر حقول كهربائية خارجية، أو بالضوء. ولتطوير أجهزة بيولوجية هجينة ذاتية التحكم بالكامل، سنحتاج إلى متحكمات ترتبط مباشرة مع العضلات، وتؤمن معلومات حسّية للروبوت البيولوجي الهجين نفسه. أحد الاحتمالات الممكنة هي استخدام العصبونات أو مجموعات عصبونية تسمى جانجليا، وذلك كمتحكمات عضوية.
هناك سبب آخر لحماستنا حول استخدام الأبليسيا في مختبرنا. فقد كانت هذه البزاقة البحرية نظاماً نموذجياً للأبحاث العصبية الحيوية على مدى عقود. وهناك الكثير من المعلومات المتوافرة حول العلاقة بين نظامها العصبي وعضلاتها، ما يعني إمكانية استخدام عصبوناتها كمتحكمات عضوية قادرة على التحكم بحركة الروبوت، ومساعدته على أداء بعض المهام، مثل العثور على المواد السامة أو تتبع الضوء.
على الرغم من أن هذا الحقل ما زال في مراحله المبكرة، فإن الباحثين يتخيلون الكثير من الاستخدامات المثيرة للاهتمام بخصوص الروبوتات البيولوجية الهجينة. وعلى سبيل المثال، يمكن لأجهزتنا الصغيرة التي تستخدم أنسجة البزاقات، أن يتم إطلاقها على شكل أسراب ضمن أنابيب المياه، أو في المحيط، للبحث عن المواد السامة أو التسربات في الأنابيب. ونظراً لتوافق هذه الأجهزة مع الطبيعة، فإنها لن تشكل خطراً نظرياً على البيئة مثل الروبوتات التقليدية في حال تعطلت أو تم أكلها من قبل الكائنات الحية.
يوماً ما، سيتم صنع هذه الأجهزة من الخلايا البشرية، واستخدامها للتطبيقات الطبية. يمكن استخدام الروبوتات البيولوجية لتحرير الأدوية بشكل محدد، وتنظيف الجلطات، أو كدعامات طيّعة قابلة للتحريك. وباستخدام المواد العضوية بدلاً من البوليميرات، يمكن لهذه الدعامات أن تستخدم لتقوية الأوعية الدموية الضعيفة، ومنع انتفاخها، ومع مرور الوقت، يمكن تعديل الجهاز ومكاملته مع الجسم. وإضافة إلى الروبوتات البيولوجية الهجينة التي يتم تطويرها حالياً، فإن الأبحاث المتواصلة في هندسة الأنسجة، مثل محاولة تشكيل أنظمة أوعية دموية، قد تؤدي إلى احتمال تشكيل روبوتات كبيرة تحركها العضلات.

تمكّنا من استخدام نسيج بزاقة ابليسيا للمشغلات الميكانيكية لروبوت بيولوجي هجين، مما يقترح إمكانية تصنيع روبوتات بيولوجية أكثر قوة باستخدام هذه الأنسجة المتينة. هذه الأجهزة كبيرة بما يكفي لحمل جسم صغير، يقارب 1.5 إنش طولاً و 1 إنش عرضاً.
أما التحدي الأكثر صعوبة في تطوير روبوتات بيولوجية، فهو أن هذه الأدوات لا يوجد فيها حالياً أي شكل من أشكال أنظمة التحكم. وبدلاً من هذا، يتحكم بها المهندسون عبر حقول كهربائية خارجية، أو بالضوء. ولتطوير أجهزة بيولوجية هجينة ذاتية التحكم بالكامل، سنحتاج إلى متحكمات ترتبط مباشرة مع العضلات، وتؤمن معلومات حسّية للروبوت البيولوجي الهجين نفسه. أحد الاحتمالات الممكنة هي استخدام العصبونات أو مجموعات عصبونية تسمى جانجليا، وذلك كمتحكمات عضوية.
هناك سبب آخر لحماستنا حول استخدام الأبليسيا في مختبرنا. فقد كانت هذه البزاقة البحرية نظاماً نموذجياً للأبحاث العصبية الحيوية على مدى عقود. وهناك الكثير من المعلومات المتوافرة حول العلاقة بين نظامها العصبي وعضلاتها، ما يعني إمكانية استخدام عصبوناتها كمتحكمات عضوية قادرة على التحكم بحركة الروبوت، ومساعدته على أداء بعض المهام، مثل العثور على المواد السامة أو تتبع الضوء.
على الرغم من أن هذا الحقل ما زال في مراحله المبكرة، فإن الباحثين يتخيلون الكثير من الاستخدامات المثيرة للاهتمام بخصوص الروبوتات البيولوجية الهجينة. وعلى سبيل المثال، يمكن لأجهزتنا الصغيرة التي تستخدم أنسجة البزاقات، أن يتم إطلاقها على شكل أسراب ضمن أنابيب المياه، أو في المحيط، للبحث عن المواد السامة أو التسربات في الأنابيب. ونظراً لتوافق هذه الأجهزة مع الطبيعة، فإنها لن تشكل خطراً نظرياً على البيئة مثل الروبوتات التقليدية في حال تعطلت أو تم أكلها من قبل الكائنات الحية.
يوماً ما، سيتم صنع هذه الأجهزة من الخلايا البشرية، واستخدامها للتطبيقات الطبية. يمكن استخدام الروبوتات البيولوجية لتحرير الأدوية بشكل محدد، وتنظيف الجلطات، أو كدعامات طيّعة قابلة للتحريك. وباستخدام المواد العضوية بدلاً من البوليميرات، يمكن لهذه الدعامات أن تستخدم لتقوية الأوعية الدموية الضعيفة، ومنع انتفاخها، ومع مرور الوقت، يمكن تعديل الجهاز ومكاملته مع الجسم. وإضافة إلى الروبوتات البيولوجية الهجينة التي يتم تطويرها حالياً، فإن الأبحاث المتواصلة في هندسة الأنسجة، مثل محاولة تشكيل أنظمة أوعية دموية، قد تؤدي إلى احتمال تشكيل روبوتات كبيرة تحركها العضلات.