Дослідники з Токійського університету під керівництвом професора Сьодзі Такеучі розробили роботизовану руку зі справжніми людськими м'язами. Цей проект став проривом у галузі біогібридних технологій, де біологічні тканини (м'язи, рослини, гриби) інтегруються з неорганічними матеріалами.
Раніше вчені стикалися з проблемами у створенні великих біогібридних роботів. Лабораторно вирощені м'язи мають слабку силу скорочення, а при збільшенні їх товщини глибокі шари страждають від некрозу через нестачу кисню та поживних речовин. У живих організмах цей процес регулюється мережею судин, але в штучних системах поки що не вдається створити аналогічну систему кровопостачання.
Рішення: «Суші-рулон» для м'язів
Щоб уникнути некрозу, команда Такеучі розробила унікальний метод: вони вирощували м'язи у вигляді тонких листів, а потім скручували їх у трубчасті структури MuMuTA (Multiple Muscle Tissue Actuators) – за аналогією з приготуванням суші.
Такий підхід дозволив:
- Забезпечити доступ кисню до всіх клітин;
- Оптимізувати скорочення м'язів;
- Створити досить потужні м'язи, що генерують силу скорочення 8 мН (приблизно достатньо, щоб підняти скріпку).
MuMuTA активуються електричними імпульсами і можуть згинатися або обертатися залежно від напрямку скорочення.
Як працює біогібридна рука?
3D-друкована рука завдовжки 18 см підвішена у рідкому середовищі. У кожному пальці по три суглоби, які приводяться в рух п'ятьма MuMuTA, закріпленими в передпліччі. Вони встановлені у скляні контейнери, що обмежують електричне поле, що дозволяє керувати кожним м'язом окремо.
Завдяки цьому рука здатна виконувати різні жести, включаючи «камінь, ножиці, папір», а також маніпулювати об'єктами, наприклад, піпеткою.
Обмеження технології
Незважаючи на успіхи, у прототипу є недоліки:
- Одностороння рухливість – пальці згинаються, але не можуть самостійно повертатися у вихідне положення. Рішення: додати еластичні з'єднання або другий комплект м'язів (за аналогією з людськими антагоністичними м'язами).
- Залежність від рідкого середовища – для роботи м'язи повинні залишатися у вологому середовищі. У майбутньому вчені планують розробити штучну систему доставки поживних речовин.
- Швидка втомлюваність – після 10 хвилин роботи м'язи втрачають силу і потребують близько години відпочинку.
Майбутнє: «фітнес» для біороботів
Такеучі припускає, що лабораторні м'язи можна «тренувати», як справжні. Регулярні скорочення збільшують їх витривалість, що може вирішити проблему втоми. Ще один варіант – використовувати хімічні фактори росту для підвищення їх сили.
Розробка біогібридних роботів відкриває нові можливості в медицині, протезуванні та автономних системах. Повна стаття опублікована у Science Robotics: http://dx.doi.org/10.1126/scirobotics.adr5512.