وصف الرئيس التنفيذي لشركة سيرون للإلكترونيات في فانكوفر، مجموعة واسعة من المواد بما في ذلك المعادن والألياف والبلاستيك التي شكلت مؤخراً أساس هذه المحركات. العديد من هذه المواد تقليدية تماماً وبسيطة ويمكن شراؤها بسهولة من أي مصدر، لكن الخصائص التي تمكنهم من استخدامها كعضلات اصطناعية مشتقة من هياكلها.
وجدت كلير سانسوم أن العلماء الذين يحاولون تقليد العضلات الطبيعية لديهم العديد من المشاكل للتغلب عليها.
فكر لدقيقة واحدة فيما يفعله جسمك وأنت تقرأ هذا المقال. عيناك تفحصان الصفحة؛ أصابعك تنقر على لوحة المفاتيح أو تضرب على الشاشة؛ ربما تحمل يداك نسخة ورقية من مجلة عالم الكيمياء؛ ظهرك يدعمك وأنت تجلس على كرسي. حتى عند القيام بشيء ثابت مثل القراءة، فإن عضلاتنا تعمل باستمرار. وراء الكواليس، تحافظ عضلات القلب على نبضات قلوبنا، كما تؤدي العضلات الملساء وظائف أخرى لاإرادية، مثل الهضم. كل هذه الحركات وأكثر: الرياضي يوسين بولت يركض مسافة 100 متر محطماً الأرقام القياسية، وجناحا الطائر الطنان تضربان 50 مرة في الثانية، والفيلة تتدافع مدعومة بالعضلات ذات الهياكل. وآليات الحركة كلها متشابهة جداً.
أنسجة العضلات متعددة الاستخدامات بشكل غير عادي، لكن هيكلها يبدو بسيطاً للغاية. لذلك ليس من المستغرب أن تكون فكرة محاكاة خصائصها موجودة منذ أجيال عديدة. أول من درس هذا الأمر بجدية كان العالم الموسوعي روبرت هوك من القرن السابع عشر. قد يكون معروفاً لطلاب الفيزياء من خلال قانونه المسمى باسمه، لكنه قدم أيضاً مساهمات كبيرة في العلوم البيولوجية: فقد كان أول من شاهد الكائنات الحية الدقيقة من خلال المجهر، وأول من صاغ كلمة "خلية". حاول هوك إنشاء آلة لترجمة القوة إلى حركة بطريقة مماثلة للعضلات الطبيعية التي تستخدم البارود لتزويد القوة. وعلق قائلاً: كانت لديّ طريقة لصنع عضلة اصطناعية لمحاكاة قوة 20 رجلاً، على الرغم من أنه يبدو أن هذه التجارب تم التخلي عنها بسرعة كبيرة.
في حين استخدم هوك البارود لتزويد الطاقة اللازمة للحركة، تستخدم العضلات البيولوجية مصدر الطاقة البيوكيميائية: الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). على مدى نصف القرن الماضي، عمل علماء الأحياء والكيمياء الحيوية بلا كلل لتحديد هيكل العضلات وآليتها، وبالتالي قاموا بتزويد مصممي العضلات الاصطناعية اليوم بقالب للعمل من خلاله بالتفاصيل الجزيئية الكاملة. بدأ هذا المشروع مع عالم الأحياء الإنشائية الرائد كين هولمز في مختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بالمملكة المتحدة، حيث أوضح الآلية الجزيئية لتقلص العضلات.
عضلات معدنية
كانت بنية العضلات الهيكلية - المعروفة أيضاً باسم العضلات "الإرادية"، لأنها تخضع لسيطرة الجهاز العصبي - معروفة بدقة منخفضة قبل فترة طويلة من بدء هولمز بدراسة تركيبتها الجزيئية. تتكون هذه العضلات من وحدات وظيفية متكررة بانتظام، أو قسيم عضلي، ما يمنحها مظهراً مخططاً (أو شريطياً) مميزاً تحت المجهر الضوئي. تتكون أنسجة العضلات من حزم من الخلايا الليفية الطويلة، تحتوي كل منها على العديد من النوى والعديد من اللييفات العضلية الطويلة والمتوازية. في المقابل، يتكون كل ليف عضلي من نسخ متعددة من بروتينين طويلين هما: الميوسين والأكتين، جنباً إلى جنب مع البروتينات التي تربطهما معاً لتشكيل خيوط سميكة ورقيقة على التوالي. يوفر الميوسين المحرك لتقلص العضلات. باختصار شديد، يحتوي كل جزيء ميوسين على مجال حركي يشتمل على "رأسين" يمكنهما من الانحناء إلى التشكل المستقيم من خلال التحلل المائي لـ ATP، وذيل طويل رفيع موازٍ لجزيئات الأكتين المجاورة. ربما يمكن اعتبار الميوسين والبروتينات الحركية الأخرى على نحو مضاد للحدس، ببساطة، بمثابة محفزات للتحلل المائي لـ ATP: هذه البروتينات الحركية هي عبارة عن أنزيمات.
يمكن لكل عضلة فردية أن تنقبض وتسترخي ولكنها لا تتمدد. تأتي قوتهم من العمل المنسق: إن أبسط إجراء، مثل رفع جسم خفيف عن طاولة، يتطلب البلايين من رؤوس الميوسين للتحرك كعنصر واحد.
على المستوى الأساسي، يمكن وصف العضلات بأنها محركات بيولوجية. هذا هو الاسم الذي يطلق على مكونات الآلات التي تنتج وتتحكم في حركة النظام، غالباً ما يشير إليها العلماء والمهندسون الذين يعملون على العضلات الاصطناعية كمحركات. بحكم التعريف، يتطلب أي مشغل مصدراً للطاقة ووسيلة للتحكم في الحركة من خلال الإشارات. في حالة العضلات الهيكلية، مصدر الطاقة بالطبع هو ATP، والتحكم يأتي من الجهاز العصبي.
إن فهمنا المتزايد للبنية المعقدة وآلية الألياف العضلية على المستوى الجزيئي قد ألهم بلا شك العديد من المجموعات التي تعمل الآن على تطوير مشغلات صناعية ذات خصائص مماثلة للعضلات الهيكلية. ومع ذلك، ليس من الضروري تكرار بنية خيوط العضلات على المستوى الجزيئي - أو حتى بالقرب منه - لإنتاج مواد ذات خصائص مشابهة، أو ربما مشابهة بما يكفي حتى تكون مفيدة.
في مراجعة حديثة، وصف سيد ميرفاكيلي، الرئيس التنفيذي لشركة سيرون للإلكترونيات في فانكوفر، مجموعة واسعة من المواد بما في ذلك المعادن والألياف والبلاستيك التي شكلت مؤخراً أساس هذه المحركات. العديد من هذه المواد تقليدية تماماً وبسيطة ويمكن شراؤها بسهولة من أي مصدر، لكن الخصائص التي تمكنهم من استخدامها كعضلات اصطناعية مشتقة من هياكلها.
كثيراً ما يتم استخدام الألياف الموصلة بمقاطع عرضية لعشرات النانومتر أو أقل، والمعروفة باسم الأسلاك النانوية، في المحركات. يمكن أن تكون هذه الألياف من أي طول ولكنها رقيقة جداً بحيث لا يمكن وصف خصائصها بواسطة علم الميكانيك التقليدي وحده، وقد تمت الإشارة إليها على أنها ألياف كمومية. تنبع فائدتها كمشغلات من حقيقة أنها يمكن أن تنتج حركة عند استجابتها للضوء، أو للمجالات الكهربائية أو المغناطيسية.
تضمنت الكثير من أبحاث "ميركافيللي" الخاصة بالمشغلات في أنظمة توصيل الأدوية أليافاً مصنوعة من الأسلاك النانوية القائمة على النيوبيوم. إن خصائص هذا المعدن ذي الناقلية الجيدة تجعله مناسباً بشكل مثالي للاستخدام السريري: فهو موصل كهربائي جيد، وخامل كيميائياً، وآمن للغاية للاستخدام السريري، وهو نسبياً متاح بسهولة. يقول ميركافيللي: النيوبيوم ليس أرضاً نادرة، أو غريبة أو حتى باهظة الثمن بشكل خاص. غالباً ما يتم استخدامه في الأجهزة الطبية الأكثر تقليدية، وقد استخدمته بعض البلدان على العملات المعدنية لأنه يولد لوناً جميلاً للسطح عندما يتأكسد. لديه أيضاً سعة عالية جداً، ما يعني أنه يمكن استخدامه أيضاً لتوليد مجالات مغناطيسية عالية للغاية لأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي.
القوة الناعمة
يطور إيف بيريارد، رئيس مركز العضلات الاصطناعية في Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne في سويسرا، وفريقه ما يسمى بـ "المشغلات اللينة" من البوليمرات القابلة للطرق ذات النشاط الكهربائي للتطبيقات السريرية. مشغل المطاط الصناعي العازل الكهربائي (DEA) عبارة عن بوليمر عالي المرونة قائم على السيليكون محصور بين قطبين كهربائيين عاليي الجهد يعتمدان على الكربون المعزول. يشرح قائلاً: العملية التي نستخدمها لتصنيع DEA حساسة للغاية، لدرجة أنه يتعين علينا البدء مرة أخرى إذا دخلت ذرة غبار واحدة.
أكثر هذه المحركات اللينة تطوراً هي عضلة أنبوبية صناعية مصممة للالتفاف حول الشريان الأورطي - الشريان الرئيسي الذي ينقل الدم بعيداً عن القلب باتجاه الجسم - ويتقلص بشكل إيقاعي استجابة لإشارة كهربائية. لذلك، من شأنه أن يضغط على الأوعية الدموية، ما يدفع الدم إلى القلب، وبالتالي زيادة وظيفة الشريان الأورطي. منذ أن أجرى كريستيان بارنارد أول عملية زرع قلب ناجحة في جنوب أفريقيا في عام 1967، تلقى أكثر من 50000 مريض قلب من متبرعين، ويعيش المتلقي العادي الآن حوالي 15 عاماً بعد الزرع. ومع ذلك، فإن هذا الإجراء غزوي ومكلف ومحدود بشدة بسبب عدد قلوب المتبرعين المتاحة: حتى قبل جائحة كوفيد، كان المرضى في المملكة المتحدة في كثير من الأحيان ينتظرون عدة سنوات لإجراء عملية زرع. تم تصميم العضلات الاصطناعية التي يطورها بيريارد وفريقه لدعم القلب الفاشل، مما يؤخر أو حتى يمنع الحاجة إلى الزراعة. يقول بيريارد: يتمتع جهازنا بميزة أخرى مهمة تتمثل في أنه يقع حول الشريان الأورطي، وبالتالي لا يدخل إلى تجاويف القلب أو مجرى الدم. وبالتالي فإن العملية الجراحية أقل توغلاً من جراحة القلب المفتوح، ولا يحتاج المرضى إلى تناول مضادات التخثر لمنع تخثر الدم حول الجهاز.
في عملية استمرت أربع ساعات في أبريل 2021، تم وضع مشغل أنبوبي على الشريان الأورطي لخنزير حي. أدى ذلك إلى الحفاظ على نبضات قلب الخنزير طوال مدة العملية، ما سمح للقلب بضخ الدم بشكل أكثر كفاءة. يقول بيريارد: الشريان الأورطي للخنازير له قطر مماثل لما لدى البشر، ومدى ضغط دمه مشابه أيضاً، لذا فإن هذا الحيوان قريب من أن يكون أنموذجاً مثالياً لتجاربنا. ومع ذلك، فإن الأبهر الصاعد - الجزء الأقرب من القلب، حيث يجب وضع العضلة الاصطناعية لتوفير معظم الطاقة الإضافية - ليس طويلاً بما يكفي عند الخنزير ليناسب واحداً، سيكون العجل أنموذجاً أقرب في هذا الصدد. لا تزال التجارب السريرية على بعد بضع سنوات، لكن نجاح التجارب الأولى على الحيوانات قدم 8 ملايين فرنك سويسري (6.5 مليون جنيه إسترليني) على شكل منح تمويل من مؤسسة Werner Siemens لـ مركز العضلات الصناعية. وبدأت مجموعة بيريارد في تطوير مشغلات ناعمة لتطبيقين إكلينيكيين آخرين: لدعم وظيفة مجرى البول في المرضى الذين يعانون من سلس البول، واستعادة تعابير الوجه بعد السكتات الدماغية.
إلهام الحشرات
قد يكون من الصعب صنع مشغلات الاستومر العازلة للكهرباء، لكنها على الأقل كبيرة بما يكفي لتكون قابلة للتتبع. يقوم هونغ يانك وانغ من الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا (SUSTech) في Shengzhen، الصين وزملاؤه بتطوير مشغلات متوسطة الحجم مستوحاة من العضلات البيولوجية كمكونات للروبوتات بحجم الحشرات. المحركات الكهرومغناطيسية التقليدية ثقيلة نسبياً وغير عملية ويصعب دمجها في الآلات على هذا النطاق، في المقابل، تطورت عضلات الحشرات على مدى أكثر من نصف مليار سنة لتصبح قوية وخفيفة الوزن ومرنة في الوقت نفسه. على المستوى الجزيئي، تتشابه عضلات الحشرات بشكل ملحوظ مع عضلات الفقاريات. يوضح وانغ: تم تصميم هذه المشغلات المصغرة بطريقة هرمية تحاكي العضلات البيولوجية، مع مصفوفات من الأقطاب الكهربائية المصغرة تحل محل خيوط الأكتين والميوسين.
طورت المجموعة في SUSTech روبوتين مختلفين للغاية كدراسة حالة لتوضيح تنوع أفكارهم: أداة زحف تشبه دودة الأرض، وأداة قطع يمكن استخدامها في الجراحة. الأول يحتوي على مقطع عرضي صغير جداً يمكّنه من الزحف عبر الفجوات الضيقة ويمكن استخدامه للتفتيش أو البحث والإنقاذ في البيئات السامة. يضيف وانغ: قد يكون الروبوت الخاص بنا نحيفاً ومرناً، ولكنه قوي بشكل مدهش، أكثر من الأدوات الأخرى ذات الاستخدامات المماثلة. يمكن أن يتعافى حتى إذا خطوت عليه. يمكن استخدام أداة القطع في الجراحة لإزالة الأورام وأخذ عينات الأنسجة للخزعات بدقة شديدة. قد تحتاج التطبيقات المحتملة الأخرى إلى روبوتات يمكنها التصرف مثل النمل الطائر، على سبيل المثال، ومن المحتمل أن يكون هذا ممكناً فقط لأن المحركات التي ندمجها خفيفة ومرنة للغاية.
من الواضح أنه من الممكن تصميم مواد لها خصائص وظيفية مماثلة لخصائص العضلات، ولكن ليس لها أي خصائص هيكلية مماثلة تقريباً، على الأقل على المستوى المجهري. من بين المشغلات الموضحة هنا، فإن تلك الموجودة في روبوتات وانغ الشبيهة بالحشرات هي الوحيدة التي تشترك في أي ميزات مهمة مع البنية الدقيقة للعضلات الهيكلية.
نظراً لأننا نتعلم المزيد عن آلية عمل بروتينات العضلات، فمن المحتمل أن يتم تصميم المحركات لمحاكاة هيكلها عن كثب. والميوسين هو واحد فقط من عائلة من البروتينات الحركية التي تحول الطاقة الكيميائية المخزنة في ATP إلى حركة. الكينيسين والداينين الأكبر والأكثر تعقيداً، هما عبارة عن بروتينات متجانسة تستخدم مجالات الرأس "للسير" في اتجاهات متعاكسة على طول الأنابيب الدقيقة في الهيكل الخلوي للخلية، مع أخذ العضيات والمجمعات الجزيئية الكبيرة معها كـ "حمولة". يلعب الكينيسين دوراً رئيسياً في الانقسام الخيطي، أو الانقسام الخلوي، حيث ينقل المكونات الخلوية إلى الأطراف المقابلة للخلية قبل انقسامها، هناك عدة فئات من جزيئات الداينين ذات وظائف مختلفة، بما في ذلك حركة خلايا البويضة والحيوانات المنوية. بعض الفيروسات، بما في ذلك فيروس نقص المناعة البشرية، تختطف الداينين لنقل نفسها نحو نوى الخلايا المصابة.
تم تحديد هياكل الكينيسين والداينين باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية، وهي التقنية التي استخدمها هولمز للحصول على هياكل الأكتين والميوسين المبكرة، ولكن تم إحراز المزيد من التقدم مؤخراً باستخدام الفحص المجهري الإلكتروني. يقول أنتوني روبرتس، عالم الأحياء التركيبية في كلية بيركبيك، إن "ثورة الدقة" في المجهر الإلكتروني خلال السنوات القليلة الماضية، قد مكنتنا من تصور جزيئات الداينين المرتبطة بمسارات الأنابيب الدقيقة الخاصة بها. قد توفر محاكاة هذه البروتينات الحركية، وربما مادة لها خصائص التيتين الشبيه بالزنبرك – وهو أطول وأكبر بروتين بشري، والمسؤول عن مرونة الأنسجة العضلية - قد توفر هذه المواد تحديات مستقبلية لمطوري العضلات الاصطناعية.
----