Природоподобные и нейротехнологии

В последние годы ученые все чаще обращаются за вдохновением к природе. Изучение различных природных процессов помогает нам создавать новые технологии, которые смогут сделать нашу жизнь комфортнее и безопаснее.

Сегодня появляются бионические роботы — механизмы, созданные на основе идей, подсмотренных в природе, либо внешне напоминающие живых существ. Разрабатываются нейроинтерфейсы, которые используются для того, чтобы передавать сигналы между мозгом человека и машиной. Для развития этого направления нужны открытия в области смежных наук и этики в искусственном интеллекте.

Тематика направления также связана с развитием новых природоподобных технологий, не наносящих вред окружающей среде. Благодаря скопированным с живой природы механизмам и явлениям они органично вписываются в естественную среду.

Тренды направления:

– Исследования в сфере альтернативной энергетики, получение энергии на основе принципов живой природы.
– Изучение физиологических способностей животных и создание устройств для решения проблем экологии.
– Создание роботов, которые смогут выглядеть органично.
– Развитие нейроинтерфейсов и технологий виртуальной и дополненной реальности.
– Нейропротезирование органов, включая искусственные органы чувств, разработка средств для реабилитации.

1. Умные микрокапсулы, реагирующие на изменение кислотности среды, для доставки и контролируемого высвобождения липофильных активных веществ
2. Использование технологии CRISPR/Cas9 для получения трансгенных лабораторных животных
3. Стимул-чувствительные материалы и актуаторы для мягкой робототехники
4. Фотобиореактор для систем жизнеобеспечения космических аппаратов

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)
 

1. Умные микрокапсулы, реагирующие на изменение кислотности среды, для доставки и контролируемого высвобождения липофильных активных веществ

Руководитель проекта: Паламарчук К.В.

Аннотация: С помощью микрокапсулирования можно решить следующие проблемы: уменьшить реакционную способность лекарственных веществ, повысить срок годности лабильных и быстро портящихся компонентов, снизить токсичность субстанции, придать ей новые физические свойства - снизить летучесть, изменить плотность, замаскировать цвет, вкус, запах. Микрокапсулы также дают возможность обеспечить пролонгированность действия лекарственных препаратов. Однако, диффузия водорастворимого лекарственного вещества проходит через оболочку капсулы постоянно. Из-за чего активный компонент, содержащийся в капсуле, будет высвобождаться на протяжении всего времени нахождения в организме, что предполагает потерю активного вещества не в зоне всасывания лекарства. В случае инкапсулирования масляных веществ, инкапсулянт будет выходить гораздо медленнее из капсулы, чем при инкапсулировании лиофильного препарата, что впоследствии может привести к отсутствию терапевтического эффекта. Поэтому необходимость механизма высвобождения липофильного инкапсулированного вещества из микрокапсул актуально на сегодняшний день. Для обеспечения высвобождения активного компонента необходимо сделать оболочку капсулы чувствительной к изменению pH дисперсионной среды. В определенном диапазоне pH оболочка микрокапсулы становится более проницаемой. Таким образом, можно обеспечить направленную доставку активного компонента в необходимый участок организма и снизить его побочные действия.

Результаты, полученные в ходе проекта, будут крайне важны для создания средств адресной доставки липофильных противоопухолевых препаратов. Умные микрокапсулы будут иметь огромные перспективы в индустрии спортивного питания за счет сохранности, доставки и равномерной абсорбции активного вещества в желудочно-кишечном тракте. Это позволит увеличить эффективность добавок, которые включают в себя витаминно-минеральные комплексы и полиненасыщенные жирные кислоты. Также умные микрокапсулы могут быть использованы в качестве компонентов косметических средств (кремов, гелей, шампуней и т.д.) и пищевых продуктов (например, обогащенных соков, йогуртов). 

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

2. Использование технологии CRISPR/Cas9 для получения трансгенных лабораторных животных

Руководитель проекта: Усакин Л.А.

Аннотация: Один из основных методологических подходов в современной биотехнологии - это изменение генома с целью получения промышленных и лабораторных организмов (животных и растений) с нужными новыми свойствами. Например, лабораторные животные (мыши) с измененным геномом служат эффективной моделью для изучения самых тяжелых заболеваний человека (рак, диабет и т.д.). В настоящее время, этот подход используется для разработки новых методов лечения ранее неизлечимых наследственных заболеваний человека. А если попробовать немного заглянуть в будущее, то можно представить себе некий футуристический «киберпанк» с применением подобных технологий на людях. Если же от футуризма вернуться к серьёзным темам, то глубокое понимание проблем, связанных с применением генных технологий, и знакомство с методами их решения (полученные в ходе выполнения проекта), возможно, помогут школьнику связать свою будущую профессиональную деятельность с этим чрезвычайно важным и актуальным направлением современной биомедицины. Увлечение молодёжи этой проблемой является важнейшим фактором для выхода России в лидеры в области генных технологий. Задача такая поставлена, но её решение невозможно без молодых, мотивированных и высоко-профессиональных кадров.

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

3. Стимул-чувствительные материалы и актуаторы для мягкой робототехники

Руководители проекта: Базылева К.Ю., Банин Е.П.

Аннотация: Мягкая (soft) робототехника – раздел, связанный с конструированием робототехнических систем из мягких материалов, что обеспечивает гибкость и адаптируемость при выполнении задач. Существенным преимуществом мягких роботов по сравнению с жесткими аналогами является бо́льшая безопасность при взаимодействии с человеком. Основным направлением развития мягкой робототехники является решение специальных задач в медицине при малоинвазивной хирургии и постоперационной реабилитации пациентов, для биомимикрии в исследованиях океана или в космосе с целью сбора научной информации, а также для разведывательных и военных целей. Многие из указанных применений связаны с функционированием робота в нестандартных условиях окружающей среды, что требует формулировки и решения уникальных проблем механики, поиска и создания новых материалов.

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

4. Фотобиореактор для систем жизнеобеспечения космических аппаратов

Руководитель проекта: Петрова М.Г.

Аннотация: Сегодня важной задачей при создании обитаемых космических аппаратов является разработка систем жизнеобеспечения, обеспечивающих максимально возможное повторное использование углерода. Фототрофные микроорганизмы, фиксирующие углекислый газ и производящие кислород, оптимально подходят для этой задачи, так как их биомасса может быть использована в пищу, и они быстрее ее набирают, чем высшие растения. Однако на сегодня не создано эффективного компактного фотобиореактора, для размещения в системах жизнеобеспечения производящего необходимое количество биомассы.

В рамках проекта будет создан фотобиореактор с оптоволоконной системой освещения ориентированный на использование в замкнутый системах жизнеобеспечения космических аппаратов. Фотобиореактор будет состоять из системы освещения на основе светодиодов и оптоволокна бокового свечения, трубчатой системы из тонких полимерных трубок и емкости рециркуляции. Вся конструкция будет гибкой и может быть размещена на корпусе обитаемой капсулы. При выполнении проекта участники:

– Сконструируют фотобиореактор.
– Выполнят работы по культивированию микроводоросли Chlorella vulgaris.
– Освоят различные режимы культивирования.
– Узнают параметры оценки показателей роста культуры при использовании различных режимов культивирования.
– Определят выход биомассы и энергозатрат.

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»