Miękkie roboty – inspirowane ruchem meduz, ośmiornic czy ludzkich mięśni – od lat stanowią jeden z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju robotyki. Ale do tej pory ich konstrukcja ograniczała się do stosunkowo prostych mechanizmów ruchu. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zaprezentowali właśnie nową metodę, która może to diametralnie zmienić: sztuczne mięśnie poruszające się zarówno koncentrycznie, jak i promieniście – dokładnie tak, jak mięśnie tęczówki oka.
Czytaj też: Mamy egzoszkielety, teraz kolej na egzomięśnie?
To pierwszy raz, kiedy udało się stworzyć sztuczną strukturę mięśniową, która naśladuje złożony, wielokierunkowy ruch naturalnych mięśni bez użycia mechanicznych siłowników. Szczegóły opisano w czasopiśmie Biomaterials Science.
Naukowcy MIT inspirują się kuchnią
Kluczowa innowacja MIT nosi nazwę “stemplowania” (ang. stamping). Cały proces zaczyna się od zaprojektowania stempla – niewielkiej matrycy wykonanej w technice druku 3D, pokrytej mikroskopijnymi rowkami. Każdy z tych rowków jest na tyle duży, by pomieścić jedną komórkę mięśniową.
Czytaj też: Robotyczna krew zmienia oblicze współczesnej robotyki. Przełomowe odkrycie naukowców
Inspiracja była nietypowa, ale zaskakująco trafna: foremki do galaretek. Tak jak płynną żelatynę wlewa się do formy, by przybrała konkretny kształt, tak naukowcy wykorzystali specjalnie zaprojektowany stempel, by “ukierunkować” wzrost komórek mięśniowych. Stempel, wydrukowany w technologii 3D, zawiera mikroskopijne rowki, w których osadzane są komórki. Po umieszczeniu ich w hydrożelu – substancji przypominającej konsystencją i właściwościami ludzką tkankę – zaczynają one rosnąć wzdłuż wyznaczonych ścieżek, tworząc uporządkowane włókna.
Zastosowane komórki, pochodzące od ludzi i myszy, zostały zmodyfikowane genetycznie w taki sposób, by reagowały na impulsy świetlne. Dzięki temu naukowcy mogą precyzyjnie sterować ich skurczami, co umożliwia testowanie ich zachowania i funkcjonalności w różnych warunkach.
Już po jednym dniu hodowli komórki zaczęły organizować się w złożoną strukturę przypominającą prawdziwy mięsień – i to nie byle jaki: miały rozmiar ludzkiej tęczówki i zdolność do wykonywania skomplikowanych, wielokierunkowych skurczów. Pod wpływem światła kurczyły się promieniście i koncentrycznie – zupełnie jak mięsień, który kontroluje rozmiar źrenicy w ludzkim oku. To nie tylko imponujący pokaz inżynierii tkankowej, ale też dowód na to, że biologiczne “siłowniki” mogą zastąpić tradycyjne, sztywne mechanizmy w robotyce.
Jak wyjaśnia dr Ritu Raman, współautorka badania:
Chcieliśmy pokazać, że dzięki stemplowaniu możemy stworzyć “robota”, który wykonuje ruchy dotąd niemożliwe dla konstrukcji napędzanych mięśniami.
Nowa metoda może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie roboty muszą działać delikatnie i skutecznie, np. w medycynie, eksploracji podwodnej czy operacjach ratunkowych. Zamiast ciężkich i głośnych siłowników, miękkie roboty mogłyby korzystać z biologicznych mięśni, które zużywają mniej energii, są bardziej elastyczne i… biodegradowalne.
Choć w MIT wykorzystano precyzyjne drukarki 3D, badacze podkreślają, że podobne stemple można tworzyć przy użyciu sprzętu dostępnego dla przeciętnego użytkownika. Stemple można też łatwo czyścić i wielokrotnie wykorzystywać, co znacząco obniża koszty eksperymentów. W planach zespołu są dalsze badania z użyciem innych typów komórek i próby odtworzenia bardziej złożonych mięśni – co może rozszerzyć spektrum ruchów możliwych do osiągnięcia przez roboty miękkie.