Некоторым людям достаточно чашки кофе, чтобы начать двигаться. Для медуз, по-видимому, достаточно толчка электричества. Ученые вживили в живых медуз крошечные контроллеры, которые используют электрические импульсы для управления движением животных. С электрическими помощниками животные плавали почти в три раза быстрее обычных медуз, затрачивая при этом всего в два раза больше энергии. Протезы не травмировали животных, и исследователи надеются использовать медуз с турбонаддувом для изучения мировых морей.
"Мы надеемся, что эта технология сможет дать нам первое представление о том, что происходит в большей части океана", - говорит Джон Дабири, инженер-механик из Калифорнийского технологического института, опубликовавший результаты исследования 29 января в журнале Science Advances.
Возможно, у скромной медузы и нет мозга, но она обладает впечатляющим преимуществом - она самая энергоэффективная из всех плавающих животных. "Отчасти это связано с их эволюционным наследием - они были первыми животными, научившимися плавать около 500 миллионов лет назад", - говорит Дабири. Медузы двигаются, сжимая и разжимая свои колокольчики; эти пульсирующие движения создают пончикообразные завихрения воды, называемые вихревыми кольцами, которые двигают животных вперед без особых усилий с их стороны.
Прежде чем снабдить медуз экзоскелетом, исследователи сначала создали мягких, гибких роботов, имитирующих плавательные движения морских животных. Однако такие роботы требовали гораздо больше энергии, чем настоящие животные, и обычно были привязаны шнуром питания. Дабири также объединился с исследователями из Гарвардского университета, чтобы создать менее энергоемкую медузу из клеток сердечной мышцы крысы. Они могли управлять искусственной медузой, сокращая мышечные клетки, но хрупкий робот не мог функционировать вне лаборатории.
Дабири и его коллега Николь Сюй из Стэнфордского университета решили использовать энергию настоящих медуз. Эти животные питаются сами, поэтому для управления протезом потребуется лишь немного дополнительной энергии. Они также колонизировали все части океана - от арктических до тропических вод, от поверхности моря до глубин Марианской впадины.
"Они уже работают в той области, которую мы хотели бы исследовать", - говорит Дабири. "Тогда фокус в том, как дать им мозг, чтобы мы могли сказать им, куда идти и когда?".
Они вживили микроэлектрические контроллеры в живых лунных медуз - вид, который распространен как в дикой природе, так и в аквариумах по всему миру. Команда ожидала, что медузы, оснащенные протезами, будут плавать быстрее, чем обычные медузы. "Удивительным оказалось то, что они более эффективно плавают на таких высоких скоростях", - говорит Дабири. Относительно своих размеров гибридные медузы требовали в 10-1000 раз меньше энергии, чем другие водные роботы.
По словам Дабири, в дикой природе лунным медузам, вероятно, не нужно использовать эти дремлющие силы движения. Обычная медуза на самом деле не пытается перемещаться из одной точки в другую; ее эффективные плавательные движения в основном полезны для ловли добычи. Если медуза может втягивать пищу в свои щупальца из окружающей воды с помощью этих неторопливых движений, то ей нет необходимости спешить.
Жизнь в быстром ритме, похоже, не повредила и медузам. У этих животных нет центральной нервной системы и болевых рецепторов. Медузы выделяют слизь в стрессовых ситуациях, но Дабири и Сюй не наблюдали, чтобы лунные медузы проявляли это склизкое поведение во время экспериментов. А когда они удалили имплантаты, медузы вернулись к нормальному плаванию.
В конечном итоге Дабири планирует установить на медузах датчики, чтобы ученые могли отправлять их в путешествия в глубины океана. Дистанционно управляемые аппараты, которые в настоящее время исследуют это темное, холодное царство, обычно имеют достаточно энергии, чтобы продержаться в пути от 12 до 24 часов. "В более глубоких водах есть много жизни, которую мы просто не в состоянии наблюдать", - говорит Дабири.
Усовершенствованные медузы могут также собирать ценную информацию о климате океана. Дабири представляет себе, как эти животные бродят по морям всего мира, оснащенные датчиками для измерения ключевых переменных, таких как температура воды, соленость, кислотность или уровень кислорода. Медузы могли бы даже собирать данные о микробах, населяющих различные части океана.
Прежде чем использовать желе в таких миссиях, исследователям необходимо выяснить, как направлять животных в разные стороны. В настоящее время они экспериментируют с подачей электрических импульсов на различные части тела медуз, чтобы заставить их поворачиваться. По словам Дабири, заставляя мышцы на одной стороне медузы сокращаться одновременно, они могут побудить животное изменить курс или даже сделать разворот.