Computational modelling reveals advantages of ventricular over atrial cardiomyocytes to power self-guided biorobots

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ नन्ही, जीवित मशीनें आपके रक्तप्रवाह में तैर सकती हैं, एक ब्लडहाउंड की तरह गंध का पीछा करते हुए ट्यूमर का पता लगा सकती हैं, और फिर ठीक उसी स्रोत पर दवा छोड़ सकती हैं। यह विज्ञान कथा नहीं है; यह "बायोरोबोटिक्स" (biorobotics) की नई सीमा है। वैज्ञानिक ऐसे रोबोट बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो धातु और गियर से नहीं, बल्कि जीवित कोशिकाओं से बने हों। बड़ा विचार यह है कि उन कोशिकाओं का उपयोग किया जाए जो स्वाभाविक रूप से हिलना या सिकुड़ना चाहती हैं—जैसे हृदय की मांसपेशी कोशिकाएं—ताकि इन नन्हे उपकरणों को शक्ति दी जा सके। यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि किसी बीमार व्यक्ति को दवा देने का मतलब आमतौर पर उनके पूरे शरीर में दवाओं की बाढ़ लाना होता है, जिससे स्वस्थ अंगों को नुकसान पहुँच सकता है। यदि एक रोबोट खुद से बीमार स्थान को ढूंढ सके, तो वह ठीक वहीं इलाज पहुँचा सकता है जहाँ उसकी आवश्यकता है, जिससे बाकी शरीर को दुष्प्रभावों से बचाया जा सके। लेकिन एक पेंच है: इन रोबोटों को इतना स्मार्ट होना चाहिए कि वे अपना रास्ता खोज सकें और इतना मजबूत होना चाहिए कि उन्हें बाहर से चुंबकों या लेजरों से धकेलने के लिए किसी इंसान की जरूरत न पड़े।

यह शोध पत्र एक विशिष्ट पहेली को हल करने के लिए एक कंप्यूटर सिमुलेशन में गहराई से उतरता है: किस प्रकार की हृदय कोशिका इन नन्हे रोबोटों के लिए सबसे अच्छा इंजन बनाती है? शोधकर्ताओं ने एक आभासी, H-आकार का रोबोट बनाया जो नरम सिलिकॉन भुजाओं और एक सोने की पट्टी से बना है, जो जीवित हृदय कोशिकाओं से ढका हुआ है। वे देखना चाहते थे कि क्या रोबोट बेहतर चलता है यदि कोशिकाएं हृदय के ऊपरी कक्षों (एट्रिया) से आती हैं या निचले, अधिक मेहनत करने वाले कक्षों (वेंट्रिकल्स) से। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि क्या रोबोट खुद को उन क्षेत्रों की ओर मोड़ सकता है जहाँ ऑक्सीजन कम है, जो कि ट्यूमर का एक सामान्य संकेत है। हजारों आभासी दौड़ चलाकर, उन्होंने पाया कि कोशिका का प्रकार उम्मीद से कहीं अधिक महत्वपूर्ण है। "वेंट्रिकुलर" कोशिकाएं, जो स्वाभाविक रूप से अधिक मजबूत होती हैं, ने रोबोट को बहुत अधिक तेजी से आगे बढ़ाया और उसे अधिक तीखे मोड़ लेने में सक्षम बनाया, जबकि उन्होंने समान मात्रा में ऊर्जा का ही उपयोग किया। यह स्पष्ट है कि सही जैविक भाग चुनना रोबोट के आकार को डिजाइन करने जितना ही महत्वपूर्ण है।

रोबोट की दौड़: हृदय कोशिका बनाम हृदय कोशिका

इस अध्ययन को एक हाई-टेक कार रेस की तरह समझें, लेकिन इंजनों के बजाय, कारों को नन्ही जीवित हृदय कोशिकाओं द्वारा संचालित किया जाता है। शोधकर्ताओं ने "H" अक्षर के आकार का एक आभासी रोबant बनाया। इसमें दो लंबी भुजाएं एक नरम, खिंचाव वाले पदार्थ (जैसे कि एक बहुत ही लचीला रबर बैंड) से बनी हैं और बीच में उन्हें जोड़ने वाली एक सख्त सोने की पट्टी है। इस रोबोट को चलाने के लिए, उन्होंने हजारों नवजात चूहे की हृदय कोशिकाओं को भुजाओं पर चिपकाया। इन कोशिकाओं के पास एक सुपरपावर है: वे स्वाभाविक रूप से सिकुड़ती और फैलती हैं, ठीक वैसे ही जैसे आपका दिल धड़कता है।

उस सिकुड़न को आगे की गति में बदलने के लिए, रोबोट एक चतुर तकनीक का उपयोग करता है जिसे "फ्रिक्शन रैचेट" (friction ratchet) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक केंचुआ या सांप जमीन पर चलता है। उनके पास जमीन को मजबूती से पकड़ने वाले छोटे तराजू (scales) होते हैं जब वे पीछे की ओर धक्का देते हैं, लेकिन जब वे आगे की ओर धक्का देते हैं तो वे आसानी से फिसल जाते हैं। यह रोबोट उसी की नकल करता है। जैसे-जैसे हृदय कोशिकाएं सिकुड़ती हैं, वे गति की एक लहर पैदा करती हैं जो भुजा के नीचे चलती है। क्योंकि रोबोट एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में जमीन को बेहतर तरीके से पकड़ता है, इसलिए हर सिकुड़न उसे थोड़ा सा आगे धकेलती है।

वैज्ञानिकों ने एक विशाल सिमुलेशन चलाया यह देखने के लिए कि दो अलग-अलग प्रकार की हृदय कोशिकाएं इस रोबोट में कैसा प्रदर्शन करेंगी। उन्होंने एट्रियल कोशिकाओं (हृदय के ऊपरी कक्षों से) की तुलना वेंट्रिकुलर कोशिकाओं (निचले कक्षों से) से की। वास्तविक शरीर में, वेंट्रिकुलर कोशिकाएं भारी काम करने वाली होती हैं; वे पूरे शरीर में रक्त पंप करती हैं, इसलिए वे अधिक मजबूत बनाई जाती हैं। एट्रियल कोशिकाएं बस रक्त को फेफड़ों तक कम दूरी तक पंप करती हैं, इसलिए वे थोड़ी अधिक शिथिल होती हैं।

परिणाम वेंट्रिकुलर कोशिकाओं की भारी जीत के रूप में आए। सीधी रेखा की दौड़ में, वेंट्रिकुलर कोशिकाओं द्वारा संचालित रोबोट, एट्रियल कोशिकाओं वाले रोबोट की तुलना में 4.35 गुना तेजी से चला। यह वैसा ही है जैसे एक धावक एक साधारण जॉगर को बहुत बड़े अंतर से हरा दे। और भी प्रभावशाली बात यह है कि वे केवल तेज ही नहीं चले; वे उतने ही कुशल भी थे। "परिवहन की लागत" (cost of transport)—जो मूल रूप से एक निश्चित दूरी तय करने के लिए आवश्यक ऊर्जा है—दोनों के लिए लगभग समान थी। वेंट्रिकुलर रोबोट ने अतिरिक्त ईंधन जलाए बिना जबरदस्त गति प्राप्त की।

गंध से दिशा मोड़ना: ऑक्सीजन कंपास

प्रयोग का दूसरा हिस्सा और भी शानदार था। शोधकर्ता देखना चाहते थे कि क्या रोबोट खुद को निर्देशित कर सकता है। ट्यूमर और अन्य बीमार ऊतकों में अक्सर ऑक्सीजन का स्तर कम (हाइपोक्सिया) होता है। वैज्ञानिकों ने रोबोट को ऑक्सीजन को महसूस करने के लिए प्रोग्राम किया। यदि रोबोट के एक तरफ दूसरी तरफ की तुलना में कम ऑक्सीजन महसूस होती है, तो वह उस तरफ को धीमा कर देगा, जिससे रोबोट कम ऑक्सीजन वाले क्षेत्र की "गंध" की ओर मुड़ जाएगा।

जब उन्होंने स्टीयरिंग चालू की, तो वेंट्रिकुलर रोबोट न केवल तेज चला; बल्कि वह बेहतर तरीके से मुड़ा भी। इसने एट्रियल रोबोट की तुलना में 2.91 गुना अधिक प्रभावी ढंग से अपनी दिशा बदली। क्यों? क्योंकि वेंट्रिकुलर कोशिकाएं अधिक मजबूत थीं, इसलिए बाएं और दाएं पक्षों के बीच शक्ति के अंतर ने अधिक तीखा मोड़ बनाया। यह एक ऐसी कार की तरह है जिसमें एक तरफ शक्तिशाली इंजन और दूसरी तरफ कमजोर इंजन है; मजबूत पक्ष कार को बहुत निर्णायक रूप से मोड़ देता है।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि ये रोबोट कल मरीजों में इंजेक्ट करने के लिए तैयार हैं। ये परिणाम एक कंप्यूटर मॉडल से आते हैं, एक आभासी दुनिया जहाँ नियम पूर्ण हैं और घर्षण (friction) बिल्कुल सही है। शोधकर्ता स्वीकार करते हैं कि वास्तविक, जटिल मानव शरीर में, चीजें थोड़ी अलग हो सकती हैं। हालांकि, सिमुलेशन एक महत्वपूर्ण बिंदु सिद्ध करता है: कोशिका का प्रकार एक "डिजाइन वेरिएबल" है जिसे इंजीनियर बदलाव कर सकते हैं।

लंबे समय तक, वैज्ञानिक शायद केवल उन्हीं हृदय कोशिकाओं को चुनते होंगे जो प्राप्त करने में सबसे आसान हों। यह अध्ययन सुझाव देता है कि यदि आप एक तेज, फुर्तीला, स्व-निर्देशित रोबोट चाहते हैं, तो आपको विशेष रूप से कठिन, मजबूत वेंट्रिकुलर कोशिकाओं को चुनना चाहिए। यह समझने जैसा है कि यदि आप एक रेस कार चाहते हैं, तो आपको केवल कोई भी इंजन नहीं चाहिए; आपको V8 चाहिए, न कि चार-सिलेंडर वाला।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि कोशिका के प्रकार को एक डिजाइन विकल्प के रूप में मानकर, हम बेहतर बायो-रोबोट बना सकते हैं। ये नन्ही मशीनें एक दिन ट्यूमर के जटिल, कम ऑक्सीजन वाले रास्तों में नेविगेट कर सकती हैं, कैंसर कोशिकाओं तक सीधे दवा पहुँचा सकती हैं, जबकि स्वस्थ ऊतकों को अकेला छोड़ सकती हैं। हालांकि इस कहानी में रोबोट वर्तमान में केवल एक डिजिटल सपना है, लेकिन यह जो सबक सिखाता है वह वास्तविक है: जीवित मशीनों की दुनिया में, आप जो जीव विज्ञान चुनते हैं वह उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह इंजीनियरिंग जिसे आप बनाते हैं।