533. Статья “Наука и техника США в 2022 году” опубликована в журнале “Атомная стратегия”
Наука и техника США в 2022 году – часть первая
Академик Олег Фиговский (Израиль)
Лечение COVID-19, реакторы с дешевой энергией типа “искусственное Солнце”, новые методы обработки и защиты данных — в этих областях наука уже продвинулась довольно далеко. Один из самых авторитетных технических журналов — MIT Technology Review — опросил специалистов и в феврале опубликовал список самых многообещающих технологий года. Некоторые из них уже применяются, другие — находятся на стадии успешных экспериментов. 8 из 10 таких технологий создаются именно в США. Основная часть прорывных исследований проводятся университетами США. В мировом рейтинге QS World University Rankings® 2022, американские университеты занимают 12 мест из первых 30 (40 %), в то время как лучший в России университет МГУ м. Ломоносова занимает лишь 78 место, значительно уступая ETH Zurich (Швейцария) -8 место, National University of Singapore (NUS) и Nanyang Technological University (оба Сингапур) – 11 12 места, и даже Universiti Malaya (Малазия) – 65 место или Universidad de Buenos Aires (Аргентина) – 69 место
К 2035 году США намерены полностью перестроить свои вооруженные силы. Ключевой элемент масштабной программы — проект «Конвергенция». США — страна с самой крупной экономикой. Почти четверть мирового ВВП приходится на Штаты. Для сравнения, у России этот показатель составляет менее 2%. Экономика США столь могучая и масштабная, что даже если бы страной был один из штатов, например, Калифорния, то по ВВП он оставил бы позади Великобританию или Францию, заняв пятое место в мире. За два столетия в Штатах сложилась экономическая модель, ориентированная на научно-техническую составляющую. Станки и оборудование, немалая часть которого производится за границей; ученые и инженеры, в том числе привлекаемые из других стран, — со всем этим у США полный порядок. Почти половина всех мировых расходов на научно-исследовательскую деятельность приходится на Штаты. Поэтому американская экономика и промышленность имеют возможность быстро диверсифицироваться и подстраиваться под меняющиеся условия мирового рынка. Прогноз для ВВП США на этот год — 22,68 трлн. $. Американская экономика в полтора раза превосходит китайскую, занимающую второе место (размер ВВП Китая — 13,6 трлн. $). Для сравнения, Россия возглавляет вторую десятку, пропустив вперед, кроме США и КНР, Японию, Германию, Великобританию, Францию, Индию, Италию, Бразилию и Канаду. ВВП нашей страны — 1,47 трлн. $, а по прогнозам на 2022 год — 1,71 трлн $.
Научно-технический прогресс в США достигается в основном за счёт исследований и разработок в многочисленных университетах, и мы далее рассмотрим эти разработки только за 2022 год. Не малую роль в техническом прогрессе имеют и стартап промышленные компании, так с тартап Earthgrid из Bay Area заявил, что разрабатывает плазменного бурового робота, который может рыть подземные туннели. Его планируют использовать для перестройки энергетических, интернет-сетей и коммунальных сетей в США. Большинство туннелей, вырытых сегодня, сделали механические роторно-бурильные машины. Это трудоемкий и дорогой процесс, а режущие головки и сверла часто нуждаются в замене или техническом обслуживании. Но можно бурить, не прикасаясь к каменным стенам, такое оборудование может прокладывать целые туннели без остановки, если это необходимо. Новое устройство может работать только на электроэнергии, поэтому в окружающую среду не попадает никаких выбросов. В Earthgrid утверждают, что это намного быстрее и дешевле, чем делать все механически.
Сейчас Earthgrid работает на предварительном финансировании. Во время работы разработчики поместили несколько плазменных горелок с температурой 27 000 °C на большие диски перед роботом (RBR). Горелки расположены по спирали Фибоначчи, начиная от центра и расширяясь до тех пор, пока не покроют весь диаметр отверстия. Основатель Earthgrid Трой Хелминг планирует воплотить концепцию с использованием 72 плазменных горелок для бурения скважины длиной 1 м. Каждая горелка потребляет минимум 500 кВт, поэтому общая потребляемая мощность — 40 мегаватт. Earthgrid утверждает, что в высокоскоростной конфигурации устройство может прокладывать тоннели со скоростью до 1 км в день, что, по его словам, в 100 раз быстрее, чем у существующих буровых установок. Минимальная конфигурация — $300 за метр туннеля.
Стартап Leo Flight представил инженерный образец LEO Coupe —летающего гиперкара, построенного на полностью электрической платформе. Экспериментальный прототип LX-1 далек от задуманного дизайна и не имеет удобной кабины пилота, но уже выполняет основную задачу — поднимает конструкцию в воздух, используя электродвигатель и 72 пропеллера. До предсерийного образца машина должна быть доведена за несколько лет. Ожидается, что она будет развивать скорость до 400 км/ч и иметь запас хода 480 км. Leo Flight — это технологическая компания, которая вышла из скрытного режима два года назад под брендом Urban eVTOL. Тогда стартап опубликовал несколько рендеров, на которых был изображен аппарат, напоминающий современные гиперкары или машины для гонок Формула-1, но без колесной базы. Представители Leo Flight рассказали, что машина будет работать на тех же принципах, что авиатакси — Leo Coupe сможет подниматься и приземляться без взлетно-посадочных площадок, маневрировать между зданиями и летать без выбросов CO2.
Позднее Leo Flight перестала общаться с журналистами и публиковать новые данные о своем проекте. Но разработка Leo Coupe не была остановлена. На днях компания сообщила, что за последние четыре месяца построила и запустила сразу три экспериментальных прототипа для тестирования различных систем. Один из них — это дрон ArcSpear с электрическим реактивным двигателем, а другой — инженерный полномасштабный прототип LX-1, о котором компания рассказала чуть подробнее. Задача этой системы — проверить работоспособность и надежность силовой установки, которая уже включает реактивные двигатели, которые в дальнейшем будут использоваться для скоростных перелетов. По словам основателя и гендиректора Leo Flight Пита Битара, в конечном счете Leo Coupe будет работать всего на 16 электрических роторах большого диаметра. А нынешние 72 пропеллера, каждый размером с небольшой термос, предназначены для испытания технологии взлета и посадки. В дополнение прототип оснащен четырьмя шарнирными опорами с тонкими пневматическими стойками. Последние облегчают посадку — у Leo Coupe не предполагаются колеса или шасси, поэтому гиперкар будет приземляться сразу на нижнюю часть корпуса. Коммерческая версия Leo Coupe получит батарею на 66 кВт*ч, которая обеспечит запас хода на 480 км, и мощный двигатель для разгона до 400 км/ч. Разработчик планирует собирать свои аппараты небольшими партиями и продавать их частным клиентам. Стоимость Leo Coupe будет соответствовать премиальным гиперкарам — сейчас компания ориентируется на цену в $290 тыс. за один eVTOL.
Ученые из Университета Корнелла разработали резиновый деформируемый насос, который имитирует работу сердца и способен обеспечить мягких роботов системой кровообращения. В будущем разработка может применяться не только для роботов, но и для поддержания кровообращения при лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Если у роботов будет сердце, то многое может измениться…
У Железного Дровосека сердца не было. У сегодняшних мягких роботов тоже с «сердцами» не все в порядке. Насосы с электропитанием, которые функционируют, как их «сердца», настолько жесткие и громоздкие, что их приходится выносить из «тела» робота, а это крайне неудобно. Исследователи Университета Корнелла предложили механизм, который приводится в действие гидродинамическими и магнитными силами. Он достаточно производителен и компактен, чтобы обеспечить систему кровообращения мягких роботов. Железного Дровосека можно поздравить. Теперь у него все будет хорошо. Подобно людям и животным, мягким роботам нужна система кровообращения для накопления энергии и питания их конечностей при выполнении сложных задач. Новый эластомерный насос состоит из мягкой силиконовой трубки с проволочными витками (соленоидами), расположенными вокруг ее внешней поверхности. Зазоры между витками позволяют трубке изгибаться и растягиваться. Внутри трубки находится магнит с твердым сердечником, окруженный магнитореологической жидкостью — эта жидкость затвердевает под воздействием магнитного поля, что удерживает сердечник в центре и создает необходимое уплотнение. В зависимости от того, в каком направлении приложено магнитное поле, магнит с сердечником можно перемещать вперед и назад, подобно плавающему поршню, чтобы проталкивать жидкости, такие как вода и эмульсия с низкой вязкостью. Исследователи провели эксперимент, чтобы продемонстрировать, что система может поддерживать постоянную производительность при больших деформациях. Ученые отслеживали различные параметры производительности, чтобы в будущем можно было адаптировать «сердце» для различных типов роботов. А возможно, и не только роботов, но и для человека.
Американский стартап Boston Metal, созданный на базе Массачусетского технологического института, намерен превратить изготовление стали в «зеленый» бизнес. Инженеры предлагают отказаться от производства с помощью угля в пользу более экологичной методики — электролиза расплава оксидов (MOE). Эта технология снижает вредные выбросы до нуля, требует меньше ручного труда и может быть масштабирована до уровня крупнейших предприятий. На днях в Boston Metal построили пилотный реактор, который обещает доказать эффективность подхода. Сталелитейное производство — одна из самых востребованных и вместе с тем самых вредных отраслей промышленности. Как правило, крупные предприятия полагаются на доменные печи, работающие на ископаемом топливе. Эти печи вызывают реакцию, при которой полученный из угля материал — кокс с добавлением извести вступает в контакт с железной рудой. Процесс приводит к тому, что руда теряет кислород и большую часть примесей, превращаясь в чугун. В нем еще много углерода, доля которого снижается в ходе дальнейшей выплавки, в итоге получается сталь. В результате металлургические заводы высвобождают в больших количествах кислород и углерод, которые уходят в атмосферу в виде выбросов углекислого газа, сообщает MIT Technology Review.
Boston Metal применяет совершенно иной подход к производству стали. Вместо доменных печей стартап использует крупные реакторы и технологию электролиза расплавленного оксида (MOE). Эта система проводит электроэнергию через ячейки, заполненные смесью растворенных оксидов железа вместе с другими оксидами и материалами. Электричество нагревает элементы до 1600 °C, превращая все содержимое в «горячий оксидный суп», рассказали в компании. В дополнение к нагреву, электричество также запускает химическую реакцию, которая удаляет кислород и другие примеси, регулируя уровень углерода. После этого реакторы выводят «зеленую» сталь из своих резервуаров, как и традиционные аналоги. Разработчики отметили, что технология не требует полезных ископаемых, в том числе коксующегося угля, и может быть подключена к возобновляемым источникам энергии, а значит способна работать с нулевым уровнем выбросов. Первый реактор Boston Metal, размер которого сопоставим со школьным автобусом, будет работать на токе до 25 тыс. ампер. Установка оснащена несколькими анодами и другими традиционным для сталелитейной отрасли атрибутами. Строительство реактора почти завершено, а запуск намечен на август этого года. В первую очередь он будет использоваться для производства ферросплавов, ценных металлов, которые можно производить в процессе электролиза, аналогичном тому, который используется для производства стали. Когда надежность оборудования будет подтверждена, Boston Metal займется масштабированием технологии.
Американская компания Onyx Industries разработала модуль для перемещения четвероного робота Vision 60 производства Ghost Robotics вплавь. Модифицированный Vision 60 развивает скорость в три зла, сообщает New Atlas. Ghost Robotics уже несколько лет разрабатывает четвероногих роботов и добилась заметных успехов — их первая модель с прямым приводом ног Minitaur, например, умеет лазать по рабице и открывать двери. Другой из четвероногий робот — модель Vision 60 — крупнее, защищен от воды и пыли по стандарту IP67, может переносить разнообразную нагрузку массой до 10 килограмм (в том числе и оружие) и способен передвигаться по сложному рельефу, в том числе преодолевать неглубокие водные преграды вброд.
Теперь компания Onyx Industries разработала для Vision 60 модуль NATU с водяным реактивным двигателем, благодаря чему робот может не только преодолевать брод, но и способен перемещаться вплавь. При погружении в воду Vision 60 поджимает ноги и может плыть со скоростью до трех узлов. Модуль с водяным реактивным двигателем весит 900 грамм, если его запитать от аккумулятора робота, и 1,4 килограмма, если установить отдельный аккумулятор. Собственной батареи NATU хватит на полчаса работы. редставители Ghost Robotics отмечают, что теперь Vision 60 — первый коммерческий четвероногий робот-амфибия.
Американские физики сообщили о том, что они увидели признаки анизотропного вигнеровского поликристалла в пленках арсенида алюминия. Для усиления эффекта физики прикладывали дополнительное механическое напряжение вдоль одного из направлений. О сжатости вигнеровского кристалла ученые судили по анизотропному поведению дифференциального сопротивления. Представление об электронах, распространяющихся по кристаллической решетке, словно атомы или молекулы в некотором объеме, нашло свое отражение в модели электронного газа. Со временем физики нашли режимы, в которых движение электронов можно описать гидродинамическими уравнениями в рамках модели электронной жидкости. В таких жидкостях недавно обнаружили настоящие электронные водовороты. Следуя такой логике, стоит ожидать, что при каких-то условиях достаточно холодные электроны выстроятся в упорядоченный массив — аналог обычных кристаллов. Такие гипотетические структуры впервые были предложены Юджином Вигнером в 1934 году и потому носят его имя, а первое косвенное обнаружение трехмерных вигнеровских кристаллов датируется 1979 годом. С тех пор физики старались снизить размерность этих структур, чтобы исследовать новые эффекты.
Несмотря на то, что двумерные и одномерные кристаллы Вигнера также были получены, воспроизведение такой экзотической фазы вещества в широком диапазоне материалов до сих пор остается непростой задачей. Например, двумерные структуры образуются только в идеальных бездефектных пленках, внутри которых энергия кулоновского взаимодействия много больше, чем тепловая энергия электронов, а также их энергия Ферми (то есть максимально возможная энергия электронов при абсолютном нуле). В ультрахолодном пределе отношение первой к последней должно превышать 35. Без дополнительных ухищрений вроде наведения муаровой сверхрешетки довольно сложно найти материалы, чьи параметры позволили бы достичь этого значения. К таким веществам относятся пленки из арсенида алюминия, с которыми в Принстонском университете работают Шафаят Хоссейн (Shafayat Hossain) и его коллеги. Они сообщают, что довели отношение энергий в этом материале до 50 и обнаружили признаки вигнеровского кристалла. Если Boston Metal сможет масштабировать свою технологию и получит достаточное количество возобновляемой энергии для ее функционирования, компания сможет решить одну из самых сложных мировых проблем в области выбросов углерода. Промышленные сталеплавильные предприятия выбрасывают около двух тонн углекислого газа на каждую тонну произведенной стали и, таким образом, формируют около 10% от мировых выбросов CO2 (в 2021 году в мире было произведено 1950,5 млн тонн стали и объемы производства с каждым годом растут). При этом отказаться от этих заводов невозможно — металлы используются практически во всех областях, от пищевого сектора до аэрокосмической отрасли.
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) разработали первую в своем роде дорожную карту, в которой подробно описано, как стволовые клетки становятся сенсорными интернейронами — клетками, которые обеспечивают такие ощущения, как прикосновение, боль и зуд. Открытие поможет в будущем разработать клеточную терапию для восстановления чувствительности у людей с травмами спинного мозга. Сенсорные интернейроны – это класс нейронов в спинном мозге, которые отвечают за передачу сенсорной информации со всего тела в центральную нервную систему. В 2018 году лаборатория Саманты Батлер, профессора нейробиологии и старшего автора данного исследования, стала первой группой, создавшей сенсорные интернейроны из эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. Тогда ученые выяснили, как производить только некоторые подтипы этих важных клеток. Новая же работа раскрывает, как можно превратить стволовые клетки – пока что только клетки мышей – в любой из шести подтипов сенсорных интернейронов. Каждый подтип передает информацию о разных ощущениях, таких как прикосновение, давление, растяжение, боль, зуд и тепло. Исследование показало, что клетки, созданные с помощью опубликованной схемы, генетически и молекулярно неотличимы от своих реальных аналогов в организме – а это значит, что, скорее всего, у них будут те же сенсорные функции.
Команда также определила уникальные маркеры на клеточной поверхности каждого из шести подтипов, что позволит ученым изолировать чистые популяции этих различных сенсорных интернейронов, полученных из стволовых клеток или полученных из организма. Внося изменения в эти протоколы, ученые могут успешно генерировать большое количество сенсорных интернейронов, которые потребуются для клинических приложений. В настоящее время команда пробует повторить результаты работы на человеческих клетках. По словам ученых, если они смогут выявить все подтипы сенсорных интернейронов человека, это откроет новый важный путь для изучения нарушений сенсорной обработки. И тогда можно будет разрабатывать и тестировать новые лекарства, и, более того – создать терапию на основе стволовых клеток, которая восстанавливает чувствительность у людей с травмой спинного мозга.
Разработка, которую назвали EarIO, использует сонар, чтобы считать выражение лица пользователя и воссоздать его на цифровом аватаре. Инженеры из Корнеллского университета разработали новое носимое устройство, которое состоит из наушников, микрофона и динамика. Его можно подключить к любой гарнитуре. Каждый динамик испускает звуковые импульсы в сторону лица человека, они находятся за пределами слышимости человеческого уха, поэтому нет никаких посторонних звуков. Дальше микрофон улавливает полученные эхо-сигналы. После этого на экране появляется аватар, который на основе полученных данных воспроизводит выражение лица пользователя. Команда протестировала систему EarIO на 16 участниках. Алгоритм запустили на обычном смартфоне. Устройство могло воспроизводить выражения лица так же хорошо, как и обычная камера. Фоновые шумы, такие как ветер или разговоры, не мешали его работе. По словам команды, у локатора есть несколько преимуществ по сравнению с камерой. Для обработки акустических данных требуется гораздо меньше энергии и вычислительной мощности, а значит устройство может быть меньше и легче. Кроме этого, камеры фиксируют огромное количество других личных данных, которыми пользователь, возможно, не собирается делиться, поэтому сонар — это более приватное устройство.
С помощью генной инженерии американские ученые взломали мозг плодовых мушек. Они использовали магнитные сигналы для активации целевых нейронов головного мозга. В перспективе эту же стратегию планируется применить для лечения неврологических расстройств, она должна обеспечить эффективную терапию без хирургических вмешательств. Более того, эта же технология, считают ученые, может быть в будущем применена для прямой связи между мозгом и компьютером — без операций на мозге и интеграции в него микрочипов. Группа исследователей из США разработала беспроводную технологию для удаленной активации определенных цепей головного мозга менее чем за секунду, сообщается на сайте Университета Райса. Многообещающие результаты эффективности новой терапевтической концепции получены в рамках экспериментов с плодовыми мушками.
Сегодня многие ученые стремятся найти инструменты, которые были бы точными и одновременно минимально инвазивными для лечения неврологических расстройств. Целевое дистанционное управление нейронами с помощью магнитных полей считается святым Граалем нейротехнологий и может изменить принципы лечения в будущем. Ученые показали, что их технология активирует нейронные цепи примерно в 50 раз быстрее по сравнению с любой другой из ранее существующих. «Мы добились этого благодаря идее использования нового ионного канала, чувствительного к скорости изменения температуры», — объяснил автор работы Яков Робинсон. Сначала ученые применили генную инженерию для экспрессии теплочувствительных ионных каналов в нейронах, контролирующих поведение плодовых мушек. Затем после активации магнитного поля наночастицы преобразовывали магнитную энергию в тепло, активируя целевые нейроны. В результате плодовые мушки меняли положение тела менее чем за полсекунды. «Чтобы достичь естественной точности мозга, нам нужно уменьшить время отклика до нескольких сотых долей секунды», — объясняет Робинсон. В перспективе их технология может обеспечить простое лечение неврологических расстройств, а также стать решением для прямой связи между мозгом и компьютером.
Спустя несколько недель исследователи проверили память животных и обнаружили, что мыши, все еще помнившие этот навык и без труда справлявшиеся с задачей, демонстрировали повышенную активность в тех же самых нейронах, которые впервые идентифицировали и пометили в период обучения. Значит, именно эти нейроны составляют энграммы памяти и ответственны за формирование навыка. Более того, ученые в реальном времени наблюдали, как «энграммные нейроны» перепрограммируют себя по мере обучения грызунов. Так, эти нейроны моторной коры обзавелись новыми входными синапсами (местами контакта между двумя нейронами), через которые принимается информация об успешности выполнения движения для его корректировки, и сами сформировали новые выходные связи в отдаленной области мозга, называемой дорсолатеральным полосатым телом (ДПТ). Это ключевая область головного мозга, через которую нейроны энграмм могут осуществлять контроль над движениями животного. Таким образом, исследователи впервые наблюдали создание новых синаптических путей на одной и той же популяции нейронов — как на входном (в первичной моторной коре), так и на выходном уровне (в ДПТ).
Еще один важный вопрос, на который попытались ответить ученые, заключался в следующем: требуется ли активация лишь определенных энграммных нейронов для выполнения уже выученных двигательных задач. Подавляя активность нейронов, которые идентифицированы как часть энграммы памяти моторной коры, авторы работы убедились, что мыши все же способны выполнять поставленную двигательную задачу. Следовательно, двигательные воспоминания не только крайне рассредоточены, но и весьма избыточны, что позволяет лучше сохранять воспоминания даже при потере части нейронов сети. По словам исследователей, раз за разом повторяя изученные навыки, мы постоянно развиваем моторные энграммы, создавая новые синаптические связи, совершенствуя навык и укрепляя память о нем. Это как раз то, что подразумевается под термином «мышечная память» — избыточная сеть двигательных энграмм, используемая так часто, что связанный с ней навык кажется автоматическим (езда на велосипеде, игра на фортепиано и гитаре, катание на коньках). Именно постоянное повторение считается одной из главных причин устойчивости мышечной памяти к забыванию. В дальнейшем ученые планируют выяснить, служит ли болезнь Паркинсона результатом блокировки этих моторных энграмм или их полной потери. В первом случае пациенты должны иметь возможность улучшить свои двигательные способности, практикуя и укрепляя мышечную память. Однако если болезнь разрушает моторные энграммы и препятствует созданию новых — путем воздействия на нейроны моторных энграмм и их синаптическую связь, наблюдаемую в новом исследовании, — то для эффективного лечения придется использовать совершенно иной подход. Суперкомпьютер Frontera в Техасском университете помог ученым понять, как происходит заражение вирусом ВИЧ-1. Frontera помог создать первые реалистичные модели капсида ВИЧ-1 вместе с белками, водой, генетическим материалом. «Нам удалость найти уязвимость в капсиде вируса ВИЧ-1 с помощью масштабных симуляций и анализа, который мы провели», — сказал Грегори Вотх, почётный профессор Чикагского университета. Исследователи использовали экспериментальные данные и разработали полноатомное моделирование молекулярной динамики капсида ВИЧ-1. Моделирование состояло из 100 млн атомов. На полученном изображении видно бороздки, они появляются в процессе напряжения и деформации. По ним можно понять, где белковая решетка сжимается или расширяется. Такие исследования помогают создать лекарства, которые работают по оптимальной стратегии и воздействуют на слабые места вируса.
Исследователи из Медицинской школы Университета Уэйк-Форест (США) обнаружили возможный новый подход к лечению солидных опухолей – с помощью новой наночастицы. В опухолях, пролеченных с помощью противораковой терапии, высок уровень аденозинтрифосфата (АТФ) – молекул-носителя энергии. Они быстро расщепляются до аденозина некоторыми ферментами, которые в высокой степени экспрессируются в опухолях. Присутствие аденозина в микроокружении опухоли может способствовать плохому ответу на терапию. Такое соединение, как ARL67156, может выключить действие ферментов, расщепляющих АТФ. Но это соединение не может самостоятельно проникать в солидные опухоли. Новые наночастицы для доставки ARL67156 позволяют избирательно накапливать и высвобождать ARL67156 в таких опухолях.
Наночастицы были протестированы на нескольких моделях опухолей у мышей – и выживаемость грызунов повысилась. Исследователи проверили, как наночастицы работают в сочетании с антителами против PD-1, распространенной иммунотерапии. Исследователи отметили, что лечение работало хорошо и синергично с терапией. Ученые оценили свою разработку в трехмерной модели опухолей in vitro у пациентов с раком толстой кишки или молочной железы. Наблюдались аналогичные эффекты — опухолевые клетки были более восприимчивы к терапии. Такие наночастицы потенциально могут использоваться для лечения рака человека, а также могут повысить эффективность существующих методов лечения, отмечают авторы работы. Солидные опухоли – опухоли, которые развились не из клеток кроветворной системы. Эти образования заполнены тканью и покрыты твердой оболочкой (отсюда и название: solid с английского – «твердый, плотный»). Обычно они появляются при раке груди, головы, шеи, толстой кишки.
Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Пенсильвании разработали мягких роботов, которые могут перемещаться в сложных условиях, например, лабиринтах, без помощи людей или компьютерного программного обеспечения. Роботов сделали из жидкокристаллических эластомеров в форме скрученной ленты. Внешне это похоже на макароны ротини. Когда вы помещаете ленту, из которой сделаны роботы, на поверхность с температурой не менее 55 °C, то часть ленты, сжимается. Так устройство может перемещаться. Авторы отмечают, что ранее такую конфигурацию уже использовали для создания роботов, но теперь удалось сделать так, чтобы они обходили препятствия, а не застревали на них. Ленточный робот делает это двумя способами. Во-первых, если один конец ленты сталкивается с объектом, лента слегка поворачивается, чтобы обойти препятствие. Во-вторых, если центральная часть робота сталкивается с объектом, то происходит щелчок. Это быстрое высвобождение накопленной энергии деформации, в результате лента подпрыгивает и переориентируется перед приземлением. Возможно, это потребуется сделать несколько раз, прежде чем преодолеть препятствие.
В каком-то смысле это очень похоже на роботы-пылесосы. За исключением того, что новый мягкий робот использует энергию из окружающей среды и работает самостоятельно. Исследователи провели эксперименты, в которых показали, что лентообразный мягкий робот может перемещаться в разных лабиринтах. Они также показали, что мягкие роботы будут хорошо работать в условиях пустыни, так как легко поднимаются и спускаются по рыхлому песку.
Исследователи создали самособирающиеся микросхемы для молекулярной электроники, состоящие из резисторов и диодов на основе белка. Описание разработки опубликовано в Nature Communications. Химики Райан Чиечи и Ксинкай Цю из Университета штата Северная Каролина использовали два разных типа фуллеренов (молекулярных замкнутых многогранников из углерода). Эти клетки были помещены на золотые подложки и опущены в раствор первой фотосистемы хлоропластов. Ученые показали, что различные фуллерены побуждали белки первой фотосистемы к самосборке на поверхности в определенных формах, создавая диоды и резисторы. Сверху для завершения схемы были напечатаны контакты из жидкометаллической эвтектики галлий-индий. «Там, где нам нужны были резисторы, мы наносили один тип фуллерена на электроды, на которых самостоятельно собирается первая фотосистема, а там, где нам нужны были диоды, мы наносили другой тип. Ориентированные белки фотосистемы I выпрямляют ток — это означает, что электроны движутся только в одном направлении», — говорит Чиечи.
Эти белки рассеивают волновую функцию электронов, опосредуя туннелирование способами, которые до сих пор полностью не изучены. В результате, несмотря на толщину 10 нм, эта схема работает на квантовом уровне, функционируя в туннельном режиме. И поскольку мы используем группу молекул, а не отдельные молекулы, структура стабильна. На самом деле мы можем печатать электроды поверх этих схем и создавать устройства, – Райан Чиечи, профессор химии из Университета штата Северная Каролина, соавтор исследования. Для демонстрации своей разработки химики создали простые логические элементы И/ИЛИ на основе диодов и включили их в импульсные модуляторы, которые могут кодировать информацию, включая или выключая один входной сигнал в зависимости от напряжения другого входа. Логические схемы на основе белков первой фотосистемы могли переключать входной сигнал с частотой 3,3 кГц. Это, как отмечают исследователи, хотя и не сравнимо по скорости с современными логическими схемами, является одним из лучших результатов для молекулярных схем. Ученые полагают, что эти схемы на основе белков могут привести к разработке электронных устройств, которые улучшат, заменят или расширят функциональность классических полупроводников.
Исследователи из Техасского университета A&M использовали разработанную ими структуру оптимизации, которая может определять оптимальные параметры процесса печати для достижения бездефектной структуры и конкретных свойств материала. Используя эту структуру, а также изменение состава сплава и усовершенствованные параметры печати, исследователи изготовили никель-титановые детали, которые постоянно демонстрировали сверхэластичность при растяжении при комнатной температуре на уровне 6% в состоянии после печати (без термообработки после изготовления). Как отмечают исследователи, этот уровень почти вдвое превышает ранее описанный рекорд для 3D-печати.
Ученые рассказывают, что такие свойства были достигнуты за счет устранения пористости и трещин, возникающих в процессе печати. Авторы использовали оптимизированные параметры обработки, тщательно подобранный процесс испарения никеля из богатого никелем порошка NiTi и контроль содержания кислорода в камере печати. «Сплавы с памятью формы — это умные материалы, которые могут запоминать свою форму при высоких температурах, — объясняет Лэй Сюэ, один из авторов — Хотя их можно использовать по-разному, изготовление сплавов с памятью формы сложной формы требует тонкой настройки, чтобы материал проявлял желаемые свойства». Исследователи отмечают, что возможность производить с помощью 3D-печати сплавы с памятью формы и повышенной сверхэластичностью снизит стоимость и время производственного процесса. Ученые надеются, что в будущем их открытия приведут к более широкому использованию печатных никель-титановых сплавов с памятью формы в биомедицинских и аэрокосмических приложениях.
Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) выступило с предложением о проведении следующей фазы испытаний экспериментального космического аппарата на атомной энергии. Новый этап проекта DRACO, стартовавшего больше года назад, будет посвящен разработке, изготовлению и сборке ядерного ракетного двигателя. В прошлом апреле DARPA объявила о начале программы DRACO (опытной ракеты для окололунных полетов), в рамках которой планировала испытать технологию ядерного ракетного двигателя, то есть использовать ядерный реактор, чтобы разогреть ракетное топливо, создающее тягу. В качестве подрядчиков были выбраны две компании: военно-промышленная корпорация Lockheed Martin и космическая компания Джеффа Безоса Blue Origin. Разработкой ядерного реактора занялась General Atomics.
Конечная цель проекта — отправить атомный космический корабль на околоземную орбиту в 2025 или 2026 году. По мнению DARPA такая технология позволит преодолевать огромные расстояния и выполнять быстрые маневры, которые не под силу современным химическим и электрическим двигательным установкам. Ядерный двигатель «способен достичь высоких показателей тяговооруженности, сопоставимых с космическими химическими двигательными установками и приблизиться к высокой топливной эффективности электрических систем», сказал Нейтан Грейнер, руководитель программы DRACO. Теперь, когда первая фаза программы подходит к концу, DARPA приступает ко второй — проектированию, разработке, изготовлению и сборке ядерного ракетного двигателя
Используя кристаллы закиси меди, ученые получили ридберговские поляритоны рекордных параметров. Эти квазичастицы могут стать основой квантовых вычислителей, однако кристаллы требуемого качества оказалось возможным отыскать только в природе. На первый взгляд оксид меди (I) Cu2O, или закись меди, довольно обычное вещество, особенно хорошо знакомое тем, кто имеет дело с электричеством. Он образуется при окислении меди в условиях недостатка кислорода. Эта матовая рыжеватая пленка на проводе, вместе с запахом горелой проводки — верный признак того, что провод перегрелся и потерял изоляцию, и в электросхеме что-то не так. Однако если вырастить из этого соединения монокристалл, лягушка превращается в принцессу. Закись меди является полупроводником, который можно использовать для создания солнечных батарей и электронных компонентов.
Но самое интересное — оптические свойства закиси меди, благодаря которым ее монокристаллы способны порадовать и ювелиров, и физиков. Свет определенных длин волн активно взаимодействует с атомами меди и кристаллической решеткой Cu2O, распространяясь по ней, что приводит к необычным и полезным эффектам. Физики из Сент-Эндрюсского университета под руководством Хамида Охади (Hamid Ohadi), в сотрудничестве с учеными из Гарвардского университета, Университета Маккуори и Орхусского университета сумели получить в монокристалле закиси меди ридберговские поляритоны с рекордными параметрами. Чтобы объяснить суть их достижения и встреченные ими сложности, сначала расскажем о том, что такое квазичастицы и какое место среди них занимают ридберговские поляритоны.
Физики из MIT показали, что кубический арсенид бора — лучший из известных полупроводников, так как кубический арсенид бора решает две основных проблемы кремниевых полупроводников. Теплопроводность этого материала в 10 раз больше, чем у кремния, при этом арсенид бора демонстрирует высокую подвижность не только для электронов, но и для дырок. Арсенид бора показал все качества необходимые для хорошего полупроводника, заявили ученые. В предыдущих исследованиях они показали, что арсенид бора имеет очень хорошую ширину запрещенной зоны и высокую теплопроводность. В новой работе они изучили подвижность электронов и дырок, квазичастиц с положительным зарядом, формирующихся на месте электрона, перешедшего на соседний атом. Результаты исследования показали, что подвижность и электронов, и дырок в новом материале превосходит аналогичные характеристики у кремния. Ученые отмечают, что электронные свойства кубического арсенида бора первоначально были предсказаны на основе квантово-механических расчетов функции плотности. Эксперимент полностью подтвердил расчеты.
Это важно, потому что, конечно, в полупроводниках у нас есть как положительные, так и отрицательные заряды в равной степени. Итак, если вы строите устройство, вам нужен материал, в котором и электроны, и дырки движутся с меньшим сопротивлением, – Ган Чен, профессор Массачусетского технологического института, соавтор работы. Кремний — один из самых распространенных элементов на Земле, и в чистом виде этот материал стал основой многих современных технологий, от солнечных элементов до компьютерных чипов. Но его свойства как полупроводника далеки от идеальных, отмечают авторы работы. Хотя он легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к «дыркам». Кроме того, кремний не очень хорошо проводит тепло, создавая проблемы с перегревом. Ученые отмечают, что новый материал потенциально способен заменить кремний. Но сначала требуется разработать дешевые способы качественного производства этого материала. Кроме того, нужно оценить ряд других свойств арсенида бора — например, как хорошо он будет работать в долгосрочной перспективе.
Ученые США разработали беспроводной биохимический датчик, который анализирует показатели здоровья на основе пота. Устройство работает без батареек. Ученые из Университета штата Огайо представили безбатарейный беспроводной биохимический датчик, определяющий уровень сахара в крови во время физических упражнений.Исследователи предлагают использовать такие датчики для изучения большого количества биомаркеров здоровья. Устройство сделано из сверхтонких материалов. Такой дизайн делает его очень гибким, защищает функциональность прибора и обеспечивает безопасный контакт с кожей человека. Биосенсор фиксируется на груди как ожерелье. Прибору не нужна батарейка. Для работы он использует резонансный контур, отражающего радиочастотные сигналы, посылаемые внешней системой считывания. Ученые протестировали работу устройства на серии добровольцев. Участники эксперимента выполняли упражнения на велотренажерах, а в перерывах пили подслащенную воду. Исследование показало, что датчик корректно определяет изменение уровня глюкозы в крови на основе небольшого количества пота.
Биомаркеры — это вещества, которые могут раскрывать самые сокровенные тайны тела, говорят авторы работы. В жидкостях организма человека, включая пот, слезы, слюну и мочу, можно найти все, что угодно — от болезней, инфекций до свидетельств эмоциональной травмы. В дополнение к анализу состава пота, исследователи полагают, что этот датчик можно использовать как биоимплантат для обнаружения нейротрансмиттеров и гормонов. Это поможет выявить, например, ионные нарушения в спинномозговой жидкости, связанные со вторичным повреждением головного мозга, и узнать больше о внутренних процессах в организме человека. Мы надеемся, что в конечном итоге эти датчики можно будет легко интегрировать в наши личные вещи. Кто-то будет носить ожерелье, кто-то — серьги или кольца. Мы считаем, что эти датчики можно поместить во что-то, что мы все носим, и это поможет нам лучше отслеживать наше здоровье, – Цзинхуа Ли, соавтор исследования из Университета штата Огайо.
Исследователи разработали новую технологию, которая позволит печатать древесину на 3D-принтере. Команда из Массачусетского технологического института добилась прорыва в технологии, которая позволит печатать из древесины мебель и другие предметы. Древесина может быть возобновляемым ресурсом, но люди расходуют ее гораздо быстрее, чем восполняют. Обезлесение оказывает серьезное влияние на дикую природу и усугубляет последствия изменения климата. Поэтому исследователи решили создать альтернативный подход к производству товаров из дерева. Последние несколько лет ученые занимаются тем, что пробуют выращивать древесину в лабораторных условиях. Не настоящее дерево, а древесину. Этот процесс похож на выращивание клеток животных для производства мяса.
Теперь команда ученых из Массачусетского технологического института продемонстрировала новую технологию, которая позволяет выращивать древесный растительный материал в лаборатории. У него можно легко настраивать такие свойства, как вес и прочность, по мере необходимости. Идея заключается в том, что можно выращивать эти растительные материалы сразу в той форме, которая нужна. Это минимизирует количество затраченной энергии и отходов. Сначала команда выделила клетки из листьев растения Zinnia elegans. Затем эти клетки культивировали в жидкой среде в течение двух дней, прежде чем перенести в более густую среду на основе геля. Этот материал содержал питательные вещества и два различных растительных гормона, уровни которых можно было регулировать, чтобы настроить физические и механические свойства материала. Затем команда использовала этот гель как материал для печати на 3D-принтере. Спустя три месяца из субстанции полностью испарилась влага и он стал похож на настоящую древесину. Цель работы состоит в том, чтобы отработать новую технологию и использовать ее для производства товаров из дерева. Это поможет сократить масштабы вырубки и процесс обезлесения.
Морские раковины отличаются высокой прочностью благодаря уникальной структуре перемежающихся органических и неорганических слоев. Неорганика обеспечивает жесткость, органика служит клеем, пружинит и предотвращает образование трещин. Специалисты Сандийской Национальной лаборатории при Министерстве энергетики США воспользовались той же структурой и разработали новый материал, из которого можно шить надежные и легкие защитные костюмы для работников атомных станций или космонавтов. При этом стоимость материала примерно в 1500 раз дешевле существующих аналогов. Новый материал состоит из слоев органического технического углерода, полученного из жженого сахара, а в качестве неорганики выступает кварц. Сырье простое и дешевое, но благодаря правильно подобранной структуре материл оказывается не только прочным, но и чрезвычайно легким — всего несколько микрограмм на слой. Твердость нового материала составляет свыше 11 ГПа, а модуль упругости — 120 ГПа. Также он обладает выдающимися показателями жаростойкости — точно выдерживает более 1150 °C, а по прогнозам, должен пережить и 1650 °C. Не менее важно, с практической точки зрения, что этот материал невероятно дешев в производстве: 5 кв. см стоят всего 25 центов, а не сотни долларов, как такой же по размеру кусочек бериллия, наиболее схожего по механическим и тепловым свойствам материал. Вдобавок, производство материала наносит относительно небольшой вред окружающей среде, требуя только этанола в качестве дополнительного сырья. Уникальные свойства разработки означают, что защитные костюмы и скафандры из такого материала смогут не только защищать от жара и ударного воздействия, но и будут меньше стеснять движения, а малый вес позволит повысить экономическую выгоду полетов в космос. Также его можно использовать для защиты оборудования для научных экспериментов.
Роботизированные суставы сделают будущие скафандры более удобными. Конечная цель ученых — интегрировать мягкие роботизированные приводы в самовосстанавливающийся костюм со встроенными датчиками. Инженеры Техасского университета A&M под руководством Аны Диас Артилес разрабатывают технологию мягких роботов. Она сделает будущие скафандры SmartSuit для исследования планет более безопасными, удобными и энергоэффективными для космонавтов. Сегодня у космонавтов есть выбор из двух видов скафандров. Одним из них является группа летных костюмов, которые предназначены для защиты экипажей от случайной разгерметизации во время взлета и входа в атмосферу. Другой — российские и американские скафандры полного давления, которые не менялись с начала 1980-х годов.
Проблема в том, что они не очень удобные. Одна из причин заключается в том, что космические скафандры должны содержать воздух с достаточным давлением. Но это превращает костюм в воздушный шар в форме морской звезды, который так же трудно согнуть, как автомобильную шину. Чтобы преодолеть это, суставы костюма состоят из серии мехов с постоянным объемом. Когда эти кольцеобразные структуры сгибаются, воздух перемещается с одной стороны на другую, позволяя суставу сгибаться. Идея команды Texas A&M состоит в том, чтобы заменить эти сильфоны мягкими роботизированными приводами, которые выполняют большую часть работы, удерживают сустав в нужном положении и позволяют костюму сидеть более комфортно. Сейчас исследователи работают над прототипом роботизированного колена и моделируют подвижность стандартного костюма и обнаженного тела. Они обнаружили, что такие приводы могут сэкономить количество калорий, затрачиваемых во время миссии на Марс, и позволить космонавтам работать с меньшим потоотделением. Конечная цель ученых — интегрировать эти мягкие роботизированные приводы в самовосстанавливающийся костюм со встроенными датчиками.
Исследователи разработали методику, которая позволяет роботу освоить новую задачу после того, как ее несколько раз покажет человек. Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый алгоритм, для которого нужно, чтобы человек несколько раз показал, как выполнить задачу: этого достаточно, чтобы перепрограммировать робота. Новый метод машинного обучения позволяет роботу поднимать и манипулировать неизвестными ранее объектами, которые находятся в рандомных позах. За 10–15 минут робот будет готов выполнить новую задачу. По словам авторов, в подходе они использовали нейронную сеть, которая специально разработана для восстановления форм 3D-объектов. С помощью всего нескольких демонстраций система распознает геометрию предмета.
Авторы организовали симуляцию с использованием реальной роборуки. Они показали, что их система может эффективно манипулировать кружками, мисками и бутылками, расположенными в случайных позах. Авторы использовали всего 10 демонстраций, чтобы обучить робота. «Наша работа — это вклад в разработку систем, которые смогут работать в более неструктурированных средах», — заявил Энтони Симеонов, аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS).
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали недорогой и высокоточный метод изготовления тонких зеркал и кремниевых пластин путём. изменения формы тонких пластинчатых материалов таким образом, чтобы устранить искажения, формируемые нагруженными поверхностными материалами покрытия. С использованием нового метода можно изгибать поверхности в точные и сложные формы, которые не влияют на качество оптики. Чтобы добиться полного контроля над тензором напряжения, группа исследователей под руководством Ювея Яо разработала технологию нанесения квазипериодических ячеек, состоящих из специальных решеток, на обратной стороне основы оптических поверхностей. Свой метод ученые назвали мезоструктурами тензора напряжения. Основа под поверхность до начала изготовления оптического прибора покрывается с обратной стороны тонкими слоями высокопрочной пленки, изготовленной из диоксида кремния. На пленке с использованием литографии печатаются узоры напряжений, чтобы исследователи могли изменять свойства материала в определенных областях.
Локальные изменения пленочного покрытия в различных областях показывают, где на поверхность воздействуют напряжение и формируется натяжение. А поскольку оптическая поверхность и покрытие склеены, манипулирование материалом покрытия изменяет форму оптической поверхности. «Поворачивая решетку в каждой элементарной ячейке и изменяя долю площади выбранных областей, можно управлять всеми тремя компонентами поля тензора напряжений одновременно с помощью простого процесса формирования рисунка», — объясняет Ювей Яо. Как отмечают исследователи, тонкие пластины необходимы для сложных оптических систем высокого уровня, таких как деформируемые зеркала, а также при производстве полупроводников. Новая технология сделает производство более точным, масштабируемым и дешевым. Это особенно актуально для сверхлегких систем, таких как космическая оптика, где традиционные методы изготовления не соответствуют строгим требованиям. Исследователи планируют доработать технологию таким образом, чтобы корректировка поверхностного напряжения могла осуществляться автоматически в процессе использования. Для этого инженеры планируют размещать свои мезоструктуры на тонких пластинах с пьезоприводом. Это позволит распространить технологию за пределы оптики для использования в микроэлектронике и мягкой робототехнике.
Группа ученых из Стэнфордского университета и Университета штата Огайо разработала миниатюрного робота-гусеницу на основе техники оригами Креслинга. Американские исследователи собрали небольшой робот, который способен перемещаться как гусеница. Инженеры использовали четыре модуля оригами, собранных по схеме Креслинга, и магнитный привод. Собранный робот может передвигаться как в стиле гусеницы, так и в режиме ручного управления. Ученые использовали магниты для изменения жесткости и структуры «корпуса» робота. Гусеница, созданная учеными, может закручиваться по часовой и против часовой стрелки. При помощи специальных стабилизаторов обеспечивается плавность движения и возврат всех элементов гусеницы в исходную форму. Как отмечают авторы разработки, гусеницы и дождевые черви при движении сокращают отдельные части своего тела и используют силу трения, чтобы продвигаться вперед. Такой способ передвижения и мягкое деформируемое тело позволяют животным легко перемещаться в условиях сложного рельефа.
Исследователи протестировали робота в трудных условиях. Например, ему требовалось одновременно вращать корпусом и непрерывно двигаться по круговой траектории. Как отмечают исследователи, такие адаптивные функции понадобятся в сложных биомедицинских средах, в которых мягкая система может испытывать сопротивление при контакте с тканями и органами в ограниченном пространстве. Разработчики считают, что их робота можно использовать для проведения эндоскопии, биопсии или доставки лекарств, которые будут выпускаться при необходимости. Инженеры продемонстрировали как их система будет хранить и выдавать таблетки.
Ученые США разработали роботизированную систему, которая позволяет нейрохирургам проводить эндоваскулярные вмешательства дистанционно. Новая технология призвана спасти жизни пациентам в критической ситуации, например, после инсульта, которых нужно немедленно оперировать, чтобы сохранить функцию мозга. В будущем доступность высокотехнологичной медицинской помощи может быть обеспечена даже в сельских районах. Эндоваскулярная хирургия представляет собой малоинвазивную процедуру, которая заключается в пункции кожи и введении специальной проволоки в артерии и сосуды. Процедура проводится под контролем рентгена и позволяет выполнять сложнейшие манипуляции с минимальными для здоровья рисками и осложнениями. Например, устанавливать катетеры для растворения тромбов или выключать из кровотока участки с аневризмами. Такие операции проводят высококвалифицированные хирурги — редкие специалисты, которые чаще всего работают в крупных больницах больших городов.
Теперь ученые из Массачусетского технологического института представили решение этой проблемы — роботизированную систему для проведения эндоваскулярных вмешательств удаленно. Врач может находиться в другой комнате или в другом городе и управлять роботом с помощью джойстика. Робот оснащен магнитом, который обеспечивает аккуратное движение чувствительной к магниту проволоки по сосуду. Демонстрация операции на моделях силиконовых сосудов, представляющих сложные изгибы артерий головного мозга, оказалась многообещающей. Врачам удавалось быстро и эффективно управлять проволокой, огибать острые углы и повороты и добираться до нужных областей. Например, технология позволяла удалять тромбы и блокировать аневризмы, как если бы этот делал врач, присутствуя в операционной.
Следует подчеркнуть, что таким образом ученые обеспечили врачам дополнительные преимущества, поскольку теперь им не нужно подвергаться излучению, которое необходимо для контроля процесса операции. Ученые считают, что новая роботизированная система изменит глобальное здравоохранение и решит одну из ее ведущих проблем — снизит смертность от инсульта и инфаркта и сократит число инвалидностей. В перспективе планируется, что пациента в остром состоянии подготовит к операции в местной больнице медсестра, а всю работу будет выполнять врач из любой точки мира с помощью робота.
Ученые из Висконсинского университета в Мадисоне (США) разработали новый биоразлагаемый гель, который улучшает способность иммунной системы сдерживать рак после хирургического удаления опухоли. Гель, испытанный на мышах, высвобождает лекарства и специальные антитела, которые одновременно истощают иммуноблокирующие клетки, макрофаги, и активируют Т-клетки, чтобы они могли атаковать рак. Гель хорошо работал против рака толстой кишки, который легко поддается иммунной терапии. Также он оказался эффективен против меланомы, саркомы и тройного негативного рака молочной железы, которые менее чувствительны к иммунной терапии и более склонны к метастазированию. Гель, введенный в организм, высвобождает два ключевых компонента. Один из них – препарат Пексидартиниб, одобренный для применения для ингибирования функции макрофагов, ассоциированных с опухолью. Эти клетки способствуют росту опухолей, а ингибирование клеток замедляет его. Второй компонент геля – тромбоциты — фрагменты клеток, образующих сгусток крови, — связанные с иммуностимулирующими антителами. Эти антитела помогают Т-клеткам иммунной системы распознавать и атаковать раковые клетки.
Теперь вместо сложных операций по забору ткани для гистологии можно будет использовать неинвазивный микроскоп, который предоставит подробные 3D-изображения проблемного участка в живом организме. Это прорывная технология значительно упростит диагностику рака, а также будет полезна для обследования пациента при многих других заболеваниях. Ученые из Колумбийского университета разработали технологию MediSCAPE — высокоскоростной 3D-микроскоп для анализа тканей в режиме реального времени в живом организме. Предварительные результаты тестирования прибора свидетельствуют, что инвазивная биопсия вскоре может стать методом прошлого. Биопсия сегодня применяется повсеместно для оценки структуры ткани, анализа признаков ее злокачественности и т. д. Например, при подозрении на рак биопсия является окончательным инструментом для постановки диагноза. Между тем биопсия крайне сложная процедура при работе с нервной тканью, головным и спинным мозгом, глазами. Помимо этого, проведение гистологической оценки ткани после биопсии очень трудоемкое занятие и сократить время подготовки результатов пока не удается.
«Теперь мы можем визуализировать живую ткань без биопсии. Мы надеемся, что MediSCAPE оставит существующие решения в прошлом», — прокомментировала полученные результаты автор работы Элизабет Хиллман. Одной из первых тканей, которую изучили ученые с помощью микроскопа, стала почка мыши. «Мы были ошеломлены, увидев великолепные структуры, похожие на те, которые обычно мы получаем при стандартной гистологии», — заявили они. У новой технологии, помимо отсутствия инвазивного вмешательства, есть ряд важных преимуществ. Во-первых, в организм не нужно вводить какие-либо дополнительные флуоресцентные красители. Во-вторых, обзор происходит в режиме реального времени, позволяя наблюдать за тканью под разными углами.«Мы сканировали различные области ткани, как если бы держали фонарик в руках», — объясняют они. Кроме того, технология позволяет оценивать состояние ткани и одновременно визуализировать кровоток, что крайне важно для многих состояний и оценки кровоснабжения органа до операции. Наконец, обследование позволяет получить подробные 3D-изображения для дальнейшей работы.
К настоящему времени ученые продемонстрировали потенциал MediSCAPE для широкого спектра применения: от анализа опухоли поджелудочной железы у мышей до быстрой оценки человеческих органов, подготовленных для трансплантации. Демонстрация эффективности микроскопа на живом человеке проводилась на визуализации языка и ткани слизистой оболочки рта. В настоящее время ученые работают над коммерциализацией технологии и ждут от американского регулятора FDA одобрения для применения технологии в клинической практике.
