Исследователи из Токийского университета под руководством профессора Сёдзи Такеути разработали роботизированную руку с настоящими человеческими мышцами. Этот проект стал прорывом в области биогибридных технологий, где биологические ткани (мышцы, растения, грибы) интегрируются с неорганическими материалами.
Ранее ученые сталкивались с проблемами в создании крупных биогибридных роботов. Лабораторно выращенные мышцы имеют слабую силу сокращения, а при увеличении их толщины глубокие слои страдают от некроза из-за нехватки кислорода и питательных веществ. В живых организмах этот процесс регулируется сетью сосудов, но в искусственных системах пока не удается создать аналогичную систему кровоснабжения.
Решение: «Суши-рулон» для мышц
Чтобы избежать некроза, команда Такеути разработала уникальный метод: они выращивали мышцы в виде тонких листов и затем скручивали их в трубчатые структуры MuMuTA (Multiple Muscle Tissue Actuators) – по аналогии с приготовлением суши.
Такой подход позволил:
- Обеспечить доступ кислорода ко всем клеткам;
- Оптимизировать сокращение мышц;
- Создать достаточно мощные мышцы, генерирующие силу сокращения 8 мН (примерно достаточно, чтобы поднять скрепку).
MuMuTA активируются электрическими импульсами и могут изгибаться или вращаться в зависимости от направления сокращения.
Как работает биогибридная рука?
3D-печатная рука длиной 18 см подвешена в жидкой среде. В каждом пальце по три сустава, приводимых в движение пятью MuMuTA, закрепленными в предплечье. Они установлены в стеклянные контейнеры, ограничивающие электрическое поле, что позволяет управлять каждым мускулом отдельно.
Благодаря этому рука способна выполнять различные жесты, включая «камень, ножницы, бумагу», а также манипулировать объектами, например, пипеткой.
Ограничения технологии
Несмотря на успехи, у прототипа есть недостатки:
- Односторонняя подвижность – пальцы сгибаются, но не могут самостоятельно возвращаться в исходное положение. Решение: добавить эластичные соединения или второй комплект мышц (по аналогии с человеческими антагонистическими мышцами).
- Зависимость от жидкой среды – для работы мышцы должны оставаться во влажной среде. В будущем ученые планируют разработать искусственную систему доставки питательных веществ.
- Быстрая утомляемость – после 10 минут работы мышцы теряют силу и требуют около часа отдыха.
Будущее: «фитнес» для биороботов
Такеути предполагает, что лабораторные мышцы можно «тренировать», как настоящие. Регулярные сокращения увеличивают их выносливость, что может решить проблему усталости. Еще один вариант – использовать химические факторы роста для повышения их силы.
Разработка биогибридных роботов открывает новые возможности в медицине, протезировании и автономных системах. Полная статья опубликована в Science Robotics: http://dx.doi.org/10.1126/scirobotics.adr5512.