Выращенная в лаборатории скелетная мышечная ткань сокращается слишком слабо, чтобы двигать биогибридных роботов. Исследователи из ETH Zurich показали: дело не в количестве ткани, а в том, как мышца взаимодействует с искусственным каркасом.
Мышцу и каркас проектируют вместе
Их биоактуаторы соединяют живую скелетную мышцу, выращенную из мышиных клеток, с мягким гидрогелевым каркасом. Этот материал, насыщенный водой, гнётся и тянется, как живая ткань. Новое здесь в том, что обе части проектируют вместе, как единую систему.
Сначала с помощью компьютерной симуляции учёные определили, где и сколько мышечной ткани разместить и какими свойствами должен обладать гидрогелевый каркас.
Айсте Балчунайте и Майк Й. Микелис, соавторы недавней статьи в Nature Communications, вместе разработали для этого новый подход. Мышцу и каркас проектируют с самого начала в связке.
Балчунайте, докторантка лаборатории мягкой робототехники под руководством профессора ETH Роберта Катчманна, объясняет: «Вместо того чтобы задавать фиксированную форму геометрии мышцы, мы хотели спроектировать всё с нуля на компьютере».
Движение мышцы видно невооружённым глазом
Для этого исследователи проектировали конфигурацию мышечной ткани и каркас одновременно на компьютере, а не один за другим. Алгоритм искал варианты, при которых сокращение мышцы давало бы максимальное движение всего компонента.
Потом спроектированные на компьютере мышечные актуаторы собрали в лаборатории и проверили. Каркасы печатали на 3D-принтере светом по технологии ксолографии - около минуты на каждый каркас.
«Конечно, процесс был итеративным», - вспоминает Балчунайте. Эксперименты давали данные о свойствах материала и условиях производства, и эти данные возвращались в компьютерную симуляцию.
В итоге получились биоактуаторы длиной около 1,5 сантиметра каждый. Они состоят из живой мышечной ткани и искусственного гидрогелевого каркаса. Гнутся они так сильно, что движение видно невооружённым глазом.
Исследователи сообщают о диапазоне движения до 11 раз больше, чем у прежних систем с сопоставимым количеством мышечной ткани. «У прошлых систем иногда приходилось заглядывать в микроскоп, чтобы увидеть сгибание», - говорит Балчунайте.
Прыгают, плавают, хватают
Новые биоактуаторы умеют прыгать, плавать, двигаться по поверхности и захватывать предметы. Больше всего Балчунайте впечатлили прыжки. По её словам, это необычное движение, для которого нужна особенно сильная деформация. Для неё этот эксперимент показывает, насколько важно взаимодействие между живой мышцей и мягким искусственным каркасом.
За одно сокращение актуатор поднимается примерно на 5 миллиметров (0,2 дюйма) над дном чашки - треть длины собственного тела. «Шагающая» версия проходит 6,2 миллиметра в секунду (0,24 дюйма в секунду). По отношению к длине тела это быстрее, чем у любого шагающего биогибридного робота, о котором сообщалось до сих пор.
Эти маленькие роботы двигаются так мощно не только благодаря мышечной ткани. Ключевое - мышца и каркас образуют бесшовное, прочное соединение. Тонкие бороздки на каркасе помогают ткани надёжно закрепиться и выстроить мышечные волокна. Так что при переносе на каркас теряется минимум мышечной силы.
До выхода из лаборатории ещё далеко
Правда, пока биогибридные роботы зависят от питательного раствора, который поддерживает жизнь их мышечной ткани. До робота, пригодного для долгой работы, исследователям ещё очень далеко.
Кацшманн объясняет: большим системам нужна искусственная кровь - сосудистая система, которая доставляет тканям кислород и питательные вещества и убирает продукты распада. Это одна из главных проблем будущих разработок.
Ещё одна сложность - естественная изменчивость живой ткани. В отличие от промышленных деталей, выращенные мышечные актуаторы ведут себя не одинаково. Поэтому исследователи хотят лучше понять и научиться контролировать, как мышечная ткань развивается в лаборатории по мере созревания.
Зачем вообще живые мышцы?
Для Кацшманна исследование прежде всего показывает потенциал взаимодействия живой ткани и мягких искусственных структур. Мышцы умеют не только создавать усилие. Они меняют форму и тем самым влияют на то, как тело движется и сгибается. Сама форма мышцы становится тем, что инженеры могут проектировать, а не жёстким ограничением, которое приходится обходить.
Заодно работа показывает, насколько тесно должны сотрудничать разные области науки. Только за счёт взаимодействия клеточной биологии, материаловедения, робототехники и компьютерного проектирования удалось вырастить мышечную ткань и искусственный каркас как единую систему.
Для Кацшманна здесь есть и долгосрочный потенциал: в будущем робототехнические системы могли бы шире использовать свойства живых организмов, а не полагаться только на обычные моторы и жёсткие детали. «Мы только начинаем строить роботов более естественным образом», - говорит он.
Выращенные в лаборатории мышиные мышцы позволяют крошечным роботам прыгать, плавать, ходить и хватать предметы.
