27 декабря 2024
• Микология •
Рис. 1. Плодовые тела вёшенки степной (Pleurotus eryngii) — гриба, распространенного в лесах Европы. Мицелий этого гриба способен реагировать на свет посредством генерации электрических импульсов. Ученые воспользовались этим и «научили» вёшенку управлять роботом. Фото с сайта ru.wikipedia.org
Распространенный съедобный гриб вёшенка степная (Pleurotus eryngii) оказался способен генерировать электрические импульсы и отвечать ими на ультрафиолетовое излучение. Группа исследователей из Корнеллского университета смогла соединить его мицелий с электронным контроллером, управляющим движениями роботов. Полученные «грибороботы» не только двигались, но и реагировали на вспышки ультрафиолета, ускоряя свое движение и уходя от источника излучения.
«Классические» роботы на нынешнем этапе развития техники достигли поразительных высот: тут можно вспомнить множество примеров от «банальных» роботов-погрузчиков и роботов, выполняющих прецизионные работы на конвейерных линиях сборки, до роботов, позволяющих удаленно выполнять хирургические операции. А посмотрите, например, что способны вытворять роботы из семейства Atlas компании Boston Dynamics, — невольно подумаешь, что скоро они смогут перегнать в скорости и ловкости людей.
Создание биогибридных роботов, в которых сочетаются биологические ткани и механические части, — тема, которая уже десятилетия волнует не только писателей-фантастов, но и ученых-робототехников. Сочетания здесь могут быть разные. Например, в качестве движущей силы можно попытаться использовать искусственные мышцы (см. Шагающий биомеханизм создан из напечатанных на 3D-принтере элементов и искусственно выращенных скелетных мышц, «Элементы», 24.07.2014). Но самым интересным является вариант биоробота с биологическим мозгом и механическим опорно-двигательным аппаратом, управляемым электроникой. Во-первых, такие разработки используются в изготовлении протезов и средств реабилитации парализованных людей (вспомним тот же Neuralink от Илона Маска). А во-вторых, в перспективе можно получить полноценного биоробота, «мозг» которого мог бы реагировать на изменения окружающей среды более гибко, наделяя робота способностями к адаптации и обучению, приблизив его по этим показателям к живым существам.
Ранее в качестве биологического «мозга» для прототипов биороботов ученые использовали нервные клетки и мышечную ткань моллюсков и червей, а также «решающего задачи» слизевика Physarum polycephalum (см. статью Примитив не приговор, или Physarum polycephalum разумный). Получившиеся биороботы могли с переменным успехом выполнять простые движения — например, плавать или шагать. Существенный недостаток всех этих разработок — хрупкость биологической компоненты: чтобы использовать живые клетки, необходимо точно подобрать для них условия, имитирующие их «родительский» организм. Без этого они быстро отмирают. Но что, если использовать организм целиком?
Ученые из Корнеллского университета решили попробовать более выносливый и устойчивый тип биологической составляющей робота — мицелий гриба вёшенки степной (Pleurotus eryngii, рис. 1). На выбор ученых повлияло то, что у грибов — как и у человеческих нейронов — есть потенциал действия.
Потенциалом действия называют кратковременный скачок разности электрических потенциалов по обе стороны клеточной мембраны, который распространяется вдоль нее за счет открытия ионных каналов. В организме человека (как и других животных вплоть до медуз) потенциал действия является основой передачи нервного импульса и сокращения мышц. Но в последнее время накапливаются данные, что у грибов он тоже есть — и исследования электрофизиологии грибов переживают своеобразный научный бум. Пару лет назад британский исследователь Эндрю Адамацки (Andrew Adamatzky) даже обнаружил, что потенциалы действия грибов группируются в подобие «слов» и «фраз» — и на основе этого предположил, что у грибов есть свой язык (A. Adamatzky, 2022. Language of fungi derived from their electrical spiking activity). Впрочем, с такими гипотезами нужно быть крайне осторожным — даже несмотря на такую сложную организацию электрической активности грибов, наличие у них языка представляется крайне сомнительным, отмечаю я в своей статье в The Skeptic.
Авторы обсуждаемой статьи решили подойти к вопросу с другой стороны и найти техническое применение электрической активности грибов (в наличии которой сомнений ни у кого нет). Для этого они сначала сконструировали устройство для неинвазивной регистрации потенциалов действия мицелия вешенки, растущего на чашке Петри. Электроды располагались внеклеточно, тем самым не повреждая мицелий, но передавая в компьютер всю его электрическую активность. Такой вот нейрокомпьютерный — то есть микокомпьютерный — интерфейс! Практически Neuralink для грибов.
Первым делом с помощью этого интерфейса авторы просто изучили электрическую активность гриба. Они выяснили, что, во-первых, мицелий имеет базальную активность, то есть генерирует потенциалы действия в покое, при отсутствии каких-либо очевидных раздражителей. А во-вторых, он реагирует на свет.
Облучение ультрафиолетовым излучением или синим видимым светом стимулировало электрическую активность мицелия, заставляя его «разряжаться» мощнее и чаще. Из предыдущих исследований уже известен механизм такой селективности: одним из основных фоторецептов у грибов является белок white collar-1 (WC-1), который как раз максимально чувствителен к длине волны между синим светом и ультрафиолетом. Важная ремарка: не стоит называть это зрением гриба — речь идет только о примитивной фоторецепции. Но даже ее достаточно, чтобы управлять движениями простого робота!
На втором этапе исследователи установили чашки Петри с грибом и считывающими электродами на двух роботов (рис. 2): робота с колесиками (напоминающего игрушечную машинку) и шагающего робота (представляющего собой нечто среднее между пауком и морской звездой). Сигнал с электродов оцифровывался — потенциалы действия превращались в последовательности нулей и единиц посредством дискретизации — примерно как в нули и единицы превращаются звуковые колебания при оцифровке музыки. Сигнал преобразовывался таким образом, чтобы он зависел от высоты и частоты пиков: чем мощнее и чаще разряжался мицелий гриба, тем активнее робот шевелил ногами или крутил колесиками.
Рис. 2. Мягкий шагающий робот, управляемый грибом, находящимся в установленной на нем чашке Петри. Вверху — кадр из видео на сайте Корнеллского университета; внизу — художественное воплощение со страницы подкаста Science
В результате собственная электрическая активность гриба управляла роботом, конвертируясь в его движения. Облучение ультрафиолетом активировало их, заставляя роботов прыгать (точнее, ползать) или ехать быстрее. В итоге даже удалось заставить их убегать от света, то есть развить отрицательный фототаксис.
С научной точки зрения биоробот с отрицательным фототаксисом — уже достижение. Но в прикладном плане результаты могут показаться обескураживающими: у современных роботов с «мозгом» на основе нейросети функций гораздо больше, и практический смысл в убегающих от света биороботах просматривается пока что с трудом. Кроме того, как писали сами авторы в заключении, проблемой стало присущее всем живым системам явление адаптации — со временем реакция гриба на вспышки ультрафиолета ослабевала, и гриб уже не заставлял робота уносить себя от источника света так резво. Похоже, пока от «грибного мозга» робота не так уж много пользы.
Значимость этой работы — скорее фундаментальная. Наличие потенциалов действия у вёшенки и ее способность реагировать на свет — сами по себе интересные открытия, открывающие новую страницу в нашем понимании биологии грибов. Роботы скорее позволяют ярко визуализировать физиологические способности гриба. Впрочем, авторы надеются, что полученный способ соединения гриба и электроники можно будет использовать как сенсор параметров окружающей среды — и даже потенциально задействовать в освоении Марса. Что ж, поживем — увидим!
Источник: Anand Kumar Mishra, Jaeseok Kim, Hannah Baghdadi, Bruce R. Johnson, Kathie T. Hodge, Robert F. Shepherd. Sensorimotor control of robots mediated by electrophysiological measurements of fungal mycelia // Science Robotics. 2024. DOI: 10.1126/scirobotics.adk8019.
Георгий Куракин
