Робототехника в биологических науках: современные достижения и перспективы

Аннотация. Статья посвящена применению робототехники в биологических исследованиях и медицинской практике. Рассматриваются примеры использования биоинспирированных роботов, автоматизированных систем для молекулярной биологии, а также нанороботов в живых организмах. Отмечены перспективы дальнейшего развития биоробототехники и её влияние на смежные научные дисциплины.

Ключевые слова: биоробототехника, автоматизация, нанороботы, молекулярная биология, биоинженерия, биомиметика.

Введение

Робототехника всё активнее проникает в сферу биологических наук, обеспечивая новые подходы к исследованию живых систем, диагностике и лечению заболеваний. На стыке робототехники, биологии и медицины формируется новая междисциплинарная область — биоробототехника, объединяющая методы автоматизации, биомиметики и биоинженерии.

Современные достижения в сенсорике, микроэлектронике и программном обеспечении позволяют создавать роботов, способных не только взаимодействовать с живыми системами, но и частично моделировать биологические процессы.

Применение робототехники в биологических исследованиях

1. Автоматизация лабораторных процессов

В молекулярной биологии и биотехнологии активно применяются роботизированные платформы для проведения ПЦР, секвенирования ДНК, ELISA-анализов и культивирования клеток. Это повышает воспроизводимость и сокращает человеческий фактор.

Примеры:

• роботы-манипуляторы в лабораториях высокого уровня биобезопасности (BSL-3/4);

• автоматические системы пробоподготовки в геномике и протеомике.

2. Роботы для работы с живыми организмами

Роботы используются для мониторинга поведения животных в лабораторных условиях, например, при изучении реакции мышей на стимулы. Также существуют роботы-наблюдатели, способные отслеживать рост растений или развитие клеточных культур в реальном времени.

Биомиметика и создание роботов, имитирующих живые организмы

Биомиметические роботы создаются по образу живых существ с целью изучения их двигательных функций и поведения. Яркие примеры включают:

• роботов-рыб для моделирования плавания;

• роботов-насекомых для изучения нейросетей и поведения;

• гибких роботов, имитирующих движения змей или червей, для проникновения в замкнутые биосреды.

Такие разработки не только позволяют глубже понять биологические механизмы, но и находят применение в медицине и экологии (например, для обследования труднодоступных биотопов).

Нанороботы и их перспективы в биологии

Одним из наиболее перспективных направлений является разработка нанороботов, способных перемещаться в биологических жидкостях и взаимодействовать с клетками. Потенциальные области применения включают:

• адресную доставку лекарств;

• борьбу с опухолевыми клетками;

• восстановление тканей на клеточном уровне;

• внутриклеточные манипуляции (редактирование генома, доставка РНК).

Несмотря на то, что многие технологии находятся на стадии экспериментов, результаты первых клинических испытаний нанороботов уже демонстрируют обнадёживающие результаты.

Перспективы и вызовы

Интеграция робототехники в биологию открывает новые горизонты, но также сопровождается рядом проблем:

• биосовместимость материалов;

• миниатюризация устройств;

• обеспечение автономности и управления в сложных биосредах;

• этические и правовые аспекты использования роботов в живых организмах.

Тем не менее, развитие искусственного интеллекта, нейросетей и новых материалов (гидрогели, мягкие полимеры) способствует преодолению этих барьеров.

Заключение

Робототехника в биологических науках — это не просто вспомогательный инструмент, а мощное направление, трансформирующее подход к исследованиям, диагностике и лечению. От автоматизации лабораторных процессов до создания биомиметических и нанороботов — применение робототехники расширяет границы возможного и формирует будущее науки и медицины.

Список литературы

1. Карташев, С. В. Робототехника в биомедицинских системах: учебное пособие. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 208 с.

2. Кузнецов, А. В., Логинов, А. И. Применение микророботов в биологических исследованиях // Журнал технической физики. — 2021. — Т. 91, № 4. — С. 89–95.

3. Соловьёв, Д. А., Климов, Е. М. Биомиметика и биоинспирированная робототехника // Вестник РАН. — 2022. — Т. 92, № 2. — С. 164–170.

4. Лебедев, Ю. М. Роботизированные системы в молекулярной биологии: автоматизация и перспективы // Молекулярная биология. — 2020. — Т. 54, № 3. — С. 426–433.

5. Chen, X., Wang, J., Li, D. Bioinspired Robotics: From Biological Systems to Soft Robots // Science Robotics. — 2021. — Vol. 6(55). — DOI: 10.1126/scirobotics.abg5785

6. Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K., Abbott, J. J. Microrobots for Minimally Invasive Medicine // Annual Review of Biomedical Engineering. — 2019. — Vol. 12. — P. 55–85. DOI: 10.1146/annurev-bioeng-010510-103409

7. Palagi, S., Fischer, P. Bioinspired Microrobots // Nature Reviews Materials. — 2018. — Vol. 3. — P. 113–124. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.66

8. Sitti, M. Miniature Soft Robots — Road to the Clinic // Nature Reviews Materials. — 2021. — Vol. 6, No. 6. — P. 402–404. DOI: 10.1038/s41578-021-00289-3

9. Wang, Y., Qiu, T., Hu, W. et al. A Review of Bioinspired and Smart Materials for Soft Robotics // Advanced Materials. — 2021. — Vol. 33(8). — 2003088. DOI: 10.1002/adma.202003088