Живая мышца стала двигателем для роботов нового типа

Исследователи разработали биогибридный привод, объединяющий живую скелетную мышцу и мягкий гидрогелевый каркас в единую механическую систему. Благодаря такому подходу диапазон движения удалось увеличить до 11 раз по сравнению с предыдущими конструкциями с сопоставимым объёмом мышечной ткани. Роботы на основе нового привода смогли прыгать, плавать, ходить и захватывать небольшие предметы.

Ключевым преимуществом конструкции стала не попытка увеличить силу самой мышечной ткани. Учёные сосредоточились на взаимодействии формы, толщины и жёсткости мышечного слоя с каркасом, на котором он выращивается. Даже сильная мышца может оказаться малоэффективной, если часть её сокращения теряется в соединении с искусственной конструкцией или каркас деформируется в нежелательном направлении.

Сначала исследователи создали компьютерную модель мышцы и каркаса как единой мягкой системы. Затем эволюционный алгоритм перебирал различные варианты геометрии и выбирал конструкции, способные обеспечить максимальную деформацию. После этого авторы дополнительно корректировали соотношение размеров и жёсткости двух слоёв. Расчёты показали, что наибольший изгиб достигается, когда мышечная ткань занимает около 40–50% общей толщины привода.

Для каркаса размером 15 × 3,5 × 1 мм оптимальная толщина мышечного слоя составила примерно 0,5 мм. В экспериментальных образцах толщина живой ткани находилась в пределах 0,3–0,5 мм. Сам каркас изготовили из мягкого гидрогеля и снабдили микроскопическими канавками. Они задавали направление роста мышечных волокон и помогали передавать сокращение вдоль нужной оси.

Живой слой получили из клеток скелетной мышцы C2C12, которые выращивали непосредственно на гидрогелевой основе. Отдельное внимание уделили соединению между двумя материалами. Оно должно было выдерживать многократные сокращения мышцы и при этом не терять прочность. Для увеличения площади контакта поверхность снабдили взаимно сцепляющимся микрорельефом. Дополнительное химическое сшивание гидрогелевых слоёв сформировало непрерывное соединение.

После созревания мышечные волокна выстраивались вдоль микроканавок и сокращались под воздействием электрической стимуляции. При частоте от одного до трёх герц привод совершал циклические изгибы с амплитудой до 6,6 мм. По словам авторов, предыдущие конструкции с сопоставимым объёмом мышечной ткани обычно обеспечивали перемещение всего в несколько сотен микрометров.

Одну конструкцию удалось адаптировать для разных типов движения. Мышечный привод позволял небольшой системе подпрыгивать, перемещал плавающего робота к границе воды и воздуха, обеспечивал ходьбу по поверхности и приводил в действие захват. Изменяя направление микроканавок, исследователи смогли управлять сокращениями по разным осям. Несколько приводов также можно объединять в более сложные механизмы.

Пока разработка остаётся на уровне лабораторных демонстраторов, а не автономных роботов. Для запуска сокращений требуется внешняя электрическая стимуляция. Живой ткани также необходимы подходящие условия и питание. При увеличении размеров биогибридных систем возникает дополнительная проблема с доставкой кислорода и питательных веществ к клеткам. Поэтому основным результатом работы стало решение другой задачи. Исследователи показали, что уже имеющийся объём мышечной ткани можно заставить совершать значительно больше полезного движения за счёт грамотной конструкции.

В биогибридной робототехнике существуют и другие способы повысить механическую эффективность. В одних экспериментах между мышцей и каркасом использовали искусственные сухожилия, которые помогали эффективнее передавать усилие. В других случаях исследователи усиливали мышечную ткань ещё на этапе выращивания.

Новый подход переносит часть этой работы на этап проектирования. Алгоритм одновременно подбирает параметры мышцы и каркаса, после чего рассчитанную конструкцию воспроизводят с использованием живой ткани и гидрогеля.