Учёные из ETH Zurich создали мышечные актуаторы, способные заставлять небольших роботов прыгать, плавать, ходить и захватывать предметы. Устройства длиной около 1,5 сантиметра объединяют выращенную из клеток мышей скелетную мышечную ткань и мягкий гидрогелевый каркас. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Ключевым фактором оказалась не только масса мышц, но и их взаимодействие с искусственной основой. Гидрогель, насыщенный водой, может сгибаться и растягиваться подобно живой ткани. Исследователи проектировали мышечную ткань и каркас одновременно, чтобы сокращение мышц вызывало максимально сильное движение всей конструкции.
Конфигурацию актуаторов сначала рассчитывала компьютерная модель. Алгоритм подбирал расположение мышц и свойства каркаса, после чего созданные конструкции изготовили в лаборатории и испытали. Каркасы напечатали светом методом ксолографии — на изготовление одного элемента уходило около минуты.
По словам Аисте Балчунайте, аспирантки лаборатории мягкой робототехники ETH Zurich, которой руководит профессор Роберт Катцшманн, разработчики отказались от заранее заданной формы мышц и проектировали всю систему с нуля. «Вместо того чтобы задавать фиксированную форму для геометрии мышц, мы хотели спроектировать всё с нуля на компьютере», — пояснила она. Работа проходила итеративно: данные о свойствах материалов и условиях производства после экспериментов возвращали в компьютерную модель.
Амплитуда движений новых устройств оказалась до 11 раз больше, чем у прежних систем с сопоставимым количеством мышечной ткани. Один актуатор при сокращении поднимается примерно на 5 миллиметров — это треть его длины. Вариант, предназначенный для ходьбы, перемещается со скоростью 6,2 миллиметра в секунду, что в пересчёте на длину тела является самым высоким показателем среди описанных ранее ходячих биогибридных роботов.
Прочность движений обеспечивают тонкие бороздки в каркасе: они надёжно закрепляют ткань и выравнивают мышечные волокна, уменьшая потери силы при передаче на гидрогель. Пока такие роботы могут существовать только в питательном растворе, поддерживающем жизнеспособность мышц. Для создания более крупных и долговечных систем потребуется искусственное кровоснабжение, которое будет доставлять тканям кислород и питательные вещества и выводить продукты обмена, а также способы контролировать различия в развитии выращенных мышц. Как отмечает ETH Zurich, дальнейшая работа объединит клеточную биологию, материаловедение, робототехнику и компьютерное проектирование.