Умные протезы и связь с космосом. Топ разработок российских учёных

Мировые СМИ недавно облетела сенсационная новость. Оказывается, китайцы вывели светящиеся растения и уже в ближайшее время намерены освещать ими целые улицы. Но парадокс в том, что автором этой технологии на самом деле является российский химик Илья Ямпольский, который ещё в прошлом году за эту нашумевшую разработку получил национальную премию «Вызов». Недавно учёный в рамках «Научных гастролей» в очередной раз рассказал не только о своих чудо-цветах, но и о том, что пока Китай и США вовсю внедряют эту технологию в повседневную жизнь, в России светящиеся растения остаются под полным запретом из-за закона о ГМО. Так что первооткрывателя сейчас больше тревожит не плагиат, а то, что отечественная синтетическая биология задушена правовыми нормами, работа над отменой которых правда уже началась. 

Мы продолжаем делиться свежими новостями из мира российской науки, и на этот раз речь также пойдёт о первом отечественном комплексе для проверки микродеталей, который позволит снизить стоимость лечения зубов; о технологии подключения протезов к коре мозга, благодаря чему можно чувствовать тепло, холод и даже вес предметов, а также об уникальной инъекции с наночастицами, которая позволяет лечить неизлечимые заболевания печени. Подробно обо всём рассказываем в нашем материале.

Запрещённые в России цветы оказались прототипом китайской светящейся революции 

В Нижнем Новгороде в рамках «Научных гастролей» лауреатов премии «Вызов» доктор химических наук Илья Ямпольский представил свою нашумевшую разработку — первые в мире автономно светящиеся растения. В прошлом году учёный получил за свою разработку национальную премию, а китайские учёные, вдохновившись опубликованными данными российского биохимика, уже скопировали генетические конструкции. В начале апреля мировые СМИ облетела новость о том, что в Поднебесной вывели суккуленты, которые могут освещать целые улицы без электричества, но имя их первооткрывателя осталось в тени. Однако самого Ямпольского такое положение вещей не расстроило, поскольку его собственному признанию, российская научная мысль сейчас находится на шаг или даже на два шага впереди своих последователей.

Метод, основанный на переносе генов биолюминесценции грибов, способен не только создавать эстетичные диковинки, но и революционизировать биологию. Свечение позволяет в режиме реального времени наблюдать за процессами внутри клеток, выводить культуры, устойчивые к пестицидам, и изучать поведение злокачественных опухолей на новом уровне. Однако на пути прогресса стоит жёсткий законодательный барьер. В России с 2016 года действует фактически полный запрет на оборот генно-модифицированных организмов (ГМО), что грозит учёным или даже простым желающим обзавестись чудо-петуньей колоссальными штрафами, достигающими нескольких сотен тысяч рублей. Законодательство, созданное из соображений безопасности, сегодня напрямую препятствует развитию синтетической биологии.

Сегодня учёный Илья Ямпольский ведёт борьбу не только с тайнами природы, но и с правовыми нормами. По его словам, со стороны депутатов Госдумы уже есть понимание проблемы, и сейчас идёт активная работа над смягчением «наиболее обструктивных положений» запрета. В то время как США вовсю покоряют светящиеся цветы, а Китай грозится заменить ими уличные фонари, в России те же самые растения остаются под запретом, хотя сам первоисточник технологии был рождён именно здесь.

Российский «Микрометрон» заменит западные системы контроля имплантов и деталей двигателей

Инженеры Университета ИТМО создали первый отечественный аппаратно-программный комплекс для проверки миниатюрных металлических изделий. Разработка получила имя «Микрометрон». Она предназначена для автоматизированного контроля качества зубных имплантов, деталей двигателей, турбин и топливной аппаратуры. Размер контролируемых изделий не превышает 30 мм.

До сих пор российские производители в основном пользовались западными оптическими системами. После введения санкций поставки такого оборудования в страну оказались под запретом. Стоимость доступных на рынке аналогов выросла более чем вдвое. Кроме того, возникли проблемы с обслуживанием уже установленных машин.

Новая система объединяет две ключевые функции. Первая — прецизионный размерный контроль. Программа сравнивает фактические линейно-угловые параметры детали с эталонной 3D-моделью. Вторая функция — оценка качества механической обработки поверхности. Комплекс выявляет дефекты и проверяет наличие всех конструктивных элементов. Благодаря встроенному прецизионному приводу система автоматически ориентирует изделие сложной формы.

Весь цикл контроля выполняется в реальном времени. «Микрометрон» легко интегрируется в роботизированные производственные линии. Как отметил руководитель группы лаборатории ИТМО Фёдор Иночкин, оборудование предназначено для высокотехнологичных предприятий, выпускающих изделия особого назначения.

По словам стоматолога Сергея Рожнова, сейчас для проверки имплантов используют западные системы. Их обслуживание затруднено, а закупка нового оборудования невозможна. Отечественная разработка окажется значительно доступнее по цене. Это позволит удешевить не только контроль качества на производстве, но и сами изделия для пациентов.

Российские физики создали компактную плату для цифровой связи с космосом

Учёные лаборатории прикладных нанотехнологий МФТИ разработали и испытали новую плату цифрового приёмника. Она предназначена для командно-измерительных систем малых космических аппаратов. Устройство обеспечивает двустороннюю связь с Землёй, высокоточные радиометрические измерения, сверку бортового времени и радиоконтроль орбиты. Проект выполнен при финансировании Минобрнауки России совместно с АО «Российские космические системы».

Ключевая особенность разработки заключается в архитектуре. Обычно обработка сигнала требует нескольких микросхем. Российские инженеры сумели реализовать все операции на одном кристалле. Этот кристалл полностью спроектирован в лаборатории МФТИ. Плата собрана преимущественно на отечественной компонентной базе. Для уменьшения размеров разработчики минимизировали аналоговые преобразования, переложив основную работу на цифровую часть.

В состав платы входят двухканальный аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, блок распределения тактового сигнала, цифровой модуль, постоянное запоминающее устройство и блок интерфейсов. Как пояснил заведующий лабораторией Михаил Рыжаков, устройство принимает сигнал, обрабатывает его и передаёт информацию в цифровом виде дальше. При этом масса и габариты платы минимальны, что критически важно для малых космических аппаратов.

Подобные решения существуют у зарубежных гигантов. Однако уникальность российской разработки иная. Здесь функции целого прибора реализованы в виде одной микросхемы, то есть элемента электронной компонентной базы. Такой подход упрощает интеграцию и повышает надёжность.

На базе созданной платы АО «Российские космические системы» уже проектирует приёмо-передающее устройство для управления космическими аппаратами различного назначения. По сравнению с существующей аппаратурой новинка обещает улучшенную помехоустойчивость, более чёткий приём управляющей информации, повышенную надёжность и точность измерения текущих навигационных параметров движения аппарата. Разработка МФТИ решает давнюю проблему организации высококачественной связи при низкой стоимости производства и запуска малых спутников.

Российские биоинженеры создали нейроинтерфейс для протезов с обратной связью

Сотрудники Института бионических технологий и инжиниринга Сеченовского университета разработали нейроинтерфейс нового поколения для управления бионическими протезами. Ключевое отличие разработки связано с сенсорной обратной связью. Пациент с таким протезом сможет не только совершать движения, но и ощущать температуру, фактуру и вес предметов.

Технология использует нити микроэлектродов, которые напрямую подключаются к коре головного мозга. Они дублируют естественные нервные пути. Сигналы от мозга преобразуются в команды для движения протеза. Параллельно сенсоры на поверхности протеза передают тактильные ощущения обратно в мозг. Замкнутая петля управления создает эффект живого прикосновения.

«Главное, что отличает наши протезы — возможность обратной связи. Человек ощущает тактильные сигналы, поступающие с поверхности протеза, а также постепенно учится управлять им практически так же, как здоровой конечностью, чувствовать текстуру и размер предметов», — пояснил профессор. Похожие принципы обратной связи развивают в Федеральном центре мозга и нейротехнологий совместно с компанией «Моторика».

В Сеченовском университете говорят ещё об одном важном направлении. Имплантируемые нейроинтерфейсы помогают бороться с фантомной болью. Это распространённое последствие ампутаций, когда пациент продолжает чувствовать боль в отсутствующей конечности. Современные протезы, по словам генерального директора ГК «Моторика» Андрея Давидюка, становятся сложными системами, которые возвращают не только движение, но и чувствительность, а также помогают снижать выраженность фантомной боли.

Развитие ассистивных технологий вошло в приоритет государственной научной политики. Министр науки и высшего образования России Валерий Фальков отметил, что ведущие медицинские университеты всё чаще обращаются к современной инженерии и цифровым решениям. «Нам предстоит ускорить внедрение ассистивных технологий в медицину, способствовать применению лучших отечественных разработок и создать устойчивую экосистему таких технологий», — заявил министр на стратегической сессии в Сеченовском университете.

Инфраструктурной базой для этих задач служит единственная в России лаборатория управляемых бионических систем, открытая на базе Сеченовского университета. В ней уже разрабатываются прототипы искусственных мышц из электроактивных полимеров и нейропротезы нового поколения.

Учёные нашли способ заставить печень регенерировать с помощью одной инъекции 

Учёные из Сеченовского университета, ПИМУ, ИТМО и МФТИ создали технологию, способную остановить разрушение печени и запустить её естественное восстановление. Ключевой элемент разработки — биосовместимые наночастицы на основе полимолочной кислоты (PLA). Размер каждой частицы в десятки тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.

Внутри частиц спрятаны молекулы микроРНК-200a. Эти короткие молекулы РНК регулируют работу генов, связанных с воспалением и клеточным стрессом. При заболеваниях печени их активность падает, что ускоряет развитие фиброза и ведёт к печёночной недостаточности. Доставка микроРНК с помощью наночастиц решает главную проблему — молекулы нестабильны в кровотоке и разрушаются. Частицы из PLA защищают их и обеспечивают постепенное высвобождение внутри клеток печени.

Эффективность подхода подтвердили эксперименты на животных. В модели острого поражения, вызванного передозировкой парацетамола, одна инъекция наночастиц остановила гибель клеток, нормализовала уровень печёночных ферментов и восстановила способность гепатоцитов к делению. Ещё впечатляющие результаты получены при лечении фиброза — хронического разрастания соединительной ткани. Лечение уменьшило накопление коллагена и снизило выраженность фиброза сразу на две стадии по клинической шкале Metavir. Учёным удалось не просто остановить болезнь, а запустить обратное развитие фиброза.

Секрет двойного действия кроется в активации сигнального пути Keap1/Nrf2. Этот механизм убирает окислительный стресс и одновременно ускоряет деление здоровых клеток печени. Как пояснил научный руководитель НТПБ Сеченовского университета Пётр Тимашев, разработка воздействует на несколько ключевых точек патогенеза. Она не только уменьшает проявления патологических изменений, но и стимулирует физиологичные процессы регенерации ткани.

Ежегодно от заболеваний печени в мире умирает около двух миллионов человек. Большинство хронических патологий, включая фиброз и цирроз, до сих пор не имели эффективного лечения. Существующие методы лишь снимают симптомы, но не восстанавливают повреждённую ткань. Новая технология впервые позволяет воздействовать на молекулярном уровне.

В планах учёных — разработка высокотехнологичного препарата на основе этой платформы. До применения у людей предстоит оценить безопасность и эффективность метода. 

Текст: Ирина Леонова

Фото: сгенерированы: magnific.com и shedevrum.ai