Искусственная матка, миниатюрный кардиостимулятор и «некропечать»: технологические прорывы года
Продолжаем подводить итоги года в науке. Мы уже рассказывали про самые интересные исследования 2025-го в медицине и биологии, а также истории и археологии. Сегодня поговорим про технологии — каким пяти работам удалось больше всего привлечь и удержать наше внимание?
Искусственный фотосинтез
Китайская космическая станция «Тяньгун» стала площадкой для исторического достижения в области внеземного искусственного фотосинтеза. Исследователи из Китайской академии космических технологий (CAST) успешно провели серию орбитальных экспериментов, подтвердив возможность эффективного преобразования углекислого газа в жизненно важные ресурсы в условиях микрогравитации.
Одной из главных преград для длительного пребывания человека на Луне или Марсе является огромная зависимость от земных ресурсов. Чтобы минимизировать поставки с Земли, ученые разрабатывают технологии использования ресурсов «на месте» (In-Situ Resource Utilization — ISRU). Идея состоит в том, чтобы использовать местное сырье для производства кислорода и топлива. Например, богатую углекислым газом атмосферу Марса или лунный реголит.
Традиционные методы восстановления CO2 обычно требуют экстремально высоких температур и давления. Разработанная же китайскими учеными установка работает при комнатной температуре и обычном давлении, что значительно упрощает ее эксплуатацию в космосе. Устройство поддерживает различные пути преобразования энергии — от прямого превращения солнечного света в химическую энергию до гибридных схем (солнце—электричество—химия). Меняя катализаторы, можно «настраивать» систему на получение разных продуктов: метана или этилена для ракетного топлива, а также муравьиной кислоты, которая служит основой для синтеза сахаров.
Одной из сложнейших технических задач была работа в условиях микрогравитации. В обычных условиях пузырьки газа не поднимаются вверх, а «прилипают» к электродам, останавливая реакцию. Представьте, что вы пытаетесь вскипятить воду в чайнике на МКС: пузырьки пара не будут всплывать, а просто окутают нагреватель, и он перегорит. Исследователи разработали реактор на основе микрофлюидных чипов, своего рода «микроскопический брандспойт», который мощным потоком засчет силы сдвига газожидкостного потока в узких каналах смывает эти пузырьки с рабочих поверхностей, заставляя химический «двигатель» работать бесперебойно даже там, где притяжения почти нет. Это устройство объединяет в единый цикл подачу реагентов, сам процесс реакции и онлайн-мониторинг результатов.
В наземных тестах при использовании золотых (Au) и иридиевых (Ir/C) электродов выход кислорода составил 11,74 мл/час при напряжении 3 В. На борту “Тяньгуна” было проведено 12 успешных экспериментов. Ученые подтвердили успешную регенерацию кислорода и этилена в условиях орбитального полета. Были отработаны процессы управления потоками газа и жидкости в условиях микрогравитации, что закладывает фундамент для будущих пилотируемых миссий в дальний космос. Очень ждем, когда ученые опубликуют свои результаты в Science или Nature, чтобы поподробнее прочитать о разработке. Мы стали ещё на шажок ближе к мечте об освоении космоса.
Свет вместо электричества
Группа инженеров под руководством доктора Фолькера Зоргера из Флоридского университета (США) совершила прорыв в области вычислительной техники, разработав компьютерный чип, который использует свет вместо электричества для выполнения самых ресурсоемких задач искусственного интеллекта. Новая технология позволяет проводить вычисления в 10-100 раз эффективнее существующих аналогов, что может значительно снизить нагрузку на электросети, создаваемую современными ИИ-системами.
Главной проблемой современного ИИ является его колоссальное энергопотребление. В основе обработки изображений, видео и языка лежит математическая операция, называемая «сверткой» (convolution). Традиционные процессоры тратят на эти вычисления огромное количество времени и электроэнергии. Исследователям впервые удалось интегрировать этот тип оптических вычислений непосредственно на кристалл и применить его в работе нейронной сети. По словам разработчиков, выполнение ключевых вычислений ИИ с практически нулевыми затратами энергии — это гигантский скачок для масштабирования возможностей ИИ в будущем.
Для создания чипа ученые использовали стандартные производственные процессы, что облегчит внедрение технологии в массовое производство. Методика работы устройства включает 4 этапа. На первом этапе информация (например, изображение) преобразуется в лазерное излучение прямо на чипе. На втором этапе происходит оптическая обработка. Свет проходит через систему миниатюрных линз Френеля, толщина которых составляет лишь малую часть ширины человеческого волоса. Эти линзы выполняют операцию свертки мгновенно, используя свойства самого света. На третьем этапе поток света делится благодаря использованию разных цветов (длин волн) лазера, чип может обрабатывать несколько потоков данных одновременно, что является ключевым преимуществом фотоники. На финальном этапе результат преобразуется обратно в цифровой сигнал для завершения задачи ИИ.
В ходе испытаний прототип продемонстрировал впечатляющие результаты: он успешно классифицировал рукописные цифры с точностью около 98%, что сопоставимо с показателями традиционных «электрических» чипов. Исследователи полагают, что в ближайшем будущем подобные оптические элементы станут неотъемлемой частью каждого ИИ-процессора. Поскольку лидеры индустрии, такие как NVIDIA, уже внедряют компоненты фотоники в свои системы, переход к полноценным оптическим вычислениям может произойти достаточно плавно. С оптимизмом мы смотрим в стремительно приближающуюся сингулярность.
Биорастворимые кардиостимуляторы
Но не только ИИ единым. Инженеры из Северо-Западного университета (Чикаго, США) разработали революционное устройство для поддержки работы сердца — самый маленький в мире кардиостимулятор, который активируется светом и полностью растворяется в организме после выполнения своей задачи. Это устройство размером меньше рисового зернышка (всего 1,8 x 3,5 x 1 мм) может быть введено в тело через шприц, что исключает необходимость проведения сложных операций.
Многим пациентам после операций на сердце требуется временная кардиостимуляция, пока орган восстанавливается. Согласно современным стандартам, для этого врачи вшивают электроды в сердечную мышцу, а провода от них выводят через грудную клетку наружу к внешнему блоку управления. Такая методика сопряжена с серьезными рисками: инфекциями, повреждением тканей при извлечении проводов, кровотечениями и образованием тромбов. Особенно критична эта проблема для новорожденных с врожденными пороками сердца, чьи органы слишком малы и хрупки для стандартных устройств.
Новый прибор в 23 раза меньше любых существующих биорастворимых аналогов и в 2,5 раза меньше любых ранее представленных безэлектродных моделей. Его ключевая особенность заключается в отказе от радиочастотного управления в пользу световой активации. Это позволило избавиться от громоздких антенн и значительно миниатюризировать устройство. Кроме того, кардиостимулятор является полностью биосовместимым: по истечении срока службы (от нескольких дней до недель) он просто растворяется в биологических жидкостях, не требуя хирургического удаления.
Устройство представляет собой сложную оптоэлектронную систему, работающую на стыке биологии и физики. Кардиостимулятор работает как гальванический элемент (батарейка), где электродами служат магниевый сплав и композит триоксида молибдена, а электролитом выступают сами жидкости организма. На устройстве установлен крошечный кремниевый фототранзистор, который реагирует на вспышки инфракрасного света. Пациент носит на груди мягкий беспроводной пластырь. Он отслеживает сердечный ритм и, при обнаружении аномалий, посылает импульсы инфракрасного света. Инфракрасное излучение безопасно и глубоко проникает сквозь кожу и мышцы, активируя кардиостимулятор.
Исследователи подтвердили эффективность прибора на моделях сердец мышей, крыс, свиней, собак, а также на человеческих сердцах, полученных от доноров органов. Испытания показали, что устройство обеспечивает такую же стимуляцию, как и полноразмерные аналоги. Благодаря малым размерам врачи могут размещать сразу несколько таких устройств в разных отделах сердца, управляя ими независимо с помощью разных длин волн света (технология мультиплексирования). Прибор успешно интегрировали с имплантируемыми сердечными клапанами (TAVR), что позволяет решать проблему нарушения проводимости сердца сразу во время их установки. Процесс биорезорбции (растворения) занимает от 1,2 до 2,5 лет, при этом продукты распада естественным образом выводятся почками без вреда для здоровья. Только представьте, биоразлагаемая электроника, исчезающая, когда её работа завершена. Вот оно такое ближайшее научнофантастическое будущее.
«Комариный» некропринтер
Природа всегда вдохновляла инженеров, от создания застежек-липучек до разработки самоочищающихся поверхностей. Однако современная биогибридная инженерия идет дальше, не просто имитируя живое, а напрямую интегрируя биологические материалы в технические системы. Исследователи из Университета Макгилла и Университета Дрекселя разработали инновационный метод биогибридного производства, получивший название «3D-некропечать» (3D necroprinting). В рамках этого подхода ученые превратили хоботки самок комаров в высокоточные сопла для 3D-принтеров, способные создавать структуры с разрешением, превосходящим многие коммерческие аналоги. Ранее исследователи уже использовали лапки мертвых пауков для создания микрозахватов («некроботика»), но применение частей организмов в аддитивном производстве оставалось практически неизученным. Уникальность использования хоботка комара заключается в его эволюционном совершенстве. Традиционные микросопла (диаметром менее 100 мкм) из металла или пластика дороги (более 80 долларов за штуку), сложны в изготовлении и создают огромную экологическую нагрузку — только в США ежегодно используется более 4 миллиардов одноразовых наконечников. Комариный хоботок, напротив, биоразлагаем, дешев в «производстве» и обладает идеальной геометрией для перекачки жидкостей.
Для реализации проекта ученые использовали лабораторных незараженных комаров вида Aedes aegypti. Насекомых стерилизовали в этаноле, извлекали пучок стилетов (фасцикул) — внутренней части хоботка, которая служит каналом для крови, а затем закрепляли фасцикулы на стандартном переходнике принтера с помощью УФ-затвердевающей смолы. Инжинеры провели серию испытаний на прочность, установив, что хоботок выдерживает внутреннее давление около 60 кПа. Также были изучены два типа механических отказов: закупорка наконечника и разрыв из-за слишком высокой вязкости чернил. На основе этих данных была создана математическая модель, позволяющая подбирать оптимальную скорость печати для разных типов биочернил.
В результате экспериментов «некропечать» позволила создать линии шириной до 20 мкм, что на 100% точнее, чем при использовании самых тонких коммерческих стальных игл 36-го калибра. С помощью комариных хоботков были напечатаны микроскопические соты, кленовые листья и каркасы для клеток. Исследователи также успешно напечатали структуры, содержащие живые раковые клетки и эритроциты. После печати выживаемость клеток составила 86,1%, что подтверждает бережное воздействие биологического сопла. Ну и стоимость сборки одного такого сопла составляет всего около 0,8 доллара, что в 100 раз дешевле специализированных стеклянных или металлических микронаконечников. Красивая работа! Комар носа не подточит.
Искусственная матка
Ежегодно в мире около 15 миллионов детей рождаются преждевременно, из них 500 000 — на экстремально ранних сроках (менее 28 недель). Такие младенцы сталкиваются с огромным риском: их легкие еще не готовы дышать воздухом, и первый же вдох может нанести им непоправимый вред. Традиционные отделения интенсивной терапии используют аппараты ИВЛ, но переход на воздушную среду часто приводит к долгосрочным проблемам со здоровьем, включая повреждения легких, сердца и задержки в развитии мозга. Чтобы изменить эту ситуацию, ученые со всего мира работают над созданием искусственной матки, которая позволит плоду продолжать развитие в жидкой среде, имитирующей материнскую утробу.
Исследователи из Детской больницы Филадельфии (CHOP) и Университета Дьюка (США) представили результаты своей системы EXTEND (Extrauterine Environment for Neonatal Development). Проект стартовал еще в 2017 году, но его уникальность сегодня заключается в том, что ученые впервые провели полный анализ РНК (транскриптомику) мозга подопытных. Это было необходимо, чтобы убедиться: пребывание в искусственной среде не вызывает скрытых генетических отклонений в развитии нервной системы. Ученые использовали модель ягнят, чьи легкие на момент начала эксперимента соответствовали 24-недельному человеческому плоду. Плод извлекали с помощью кесарева сечения так, чтобы он не успел вдохнуть воздух, и сразу помещали в стерильный пластиковый пакет с искусственной амниотической жидкостью. Питание и кислород поступали через пуповину, подключенную к специальному оксигенатору. Исследование показало, что мозг ягнят, находившихся в системе EXTEND, по своим гистологическим и генетическим характеристикам был почти идентичен мозгу ягнят, которые дозревали в утробе матери до того же срока. Различия составили всего около 2% от исследованных генов, что подтверждает безопасность метода для развития мозга.
Не смотря на то, что результаты были опубликованы в ноябре 2024 года, эта новость заслуживает внимания, так как в ноябре 2025 стало известно, что FDA одобрила применение технологии для недоношенных детей. Конечно, ученые подчеркивают, что искусственная матка не предназначена для того, чтобы сделать жизнеспособной беременность на экстремально малых сроках, когда плод еще не сформирован. Ее цель — дать шанс тем детям, которые уже родились преждевременно, пережить критический период в естественной для них водной среде. Однако мы стали еще ближе к внеутробному вынашиванию детей.
Dr. Tatiana Tatarinova, Fletcher Jones Endowed Chair in Computational Biology, University of La Verne (California)
Varvara Pozdina, computational biologist, Tatarinova Lab
