Учёные ETH Zürich создали биоактуаторы с мышцами, которые прыгают и ходят

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) разработали биоактуаторы — устройства, в которых живые мышечные клетки приводят в движение искусственный каркас. Такие системы могут стать основой для биогибридных роботов, однако раньше их движения часто были слишком слабыми, чтобы иметь практическое значение.

Команда показала, что эффективность зависит не только от количества выращенной мышечной ткани. Ключевую роль играет то, как она соединена с каркасом. В новых устройствах мышечную ткань, полученную из клеток мышей, объединили с мягким гидрогелем, насыщенным водой. По механическим свойствам он напоминает живую ткань и способен изгибаться и растягиваться.

Каркас и мышцу проектировали одновременно

Главное отличие подхода ETH Zürich заключается в совместном проектировании обоих компонентов. Сначала компьютерная модель определяла, где разместить мышечную ткань, сколько её потребуется и какими свойствами должен обладать гидрогелевый каркас. Алгоритм подбирал конфигурации, в которых сокращение мышцы вызывало бы максимально сильное движение всей конструкции.

Подход разработали Айсте Бальчюнайте и Майк Й. Михелис — ведущие авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. После компьютерного расчёта выбранные варианты изготовили и испытали в лаборатории.

Гидрогелевые каркасы печатали светом методом ксолографии. Создание одного каркаса занимает около минуты. Получившиеся биоактуаторы имели длину примерно 1,5 сантиметра, а амплитуда их движения оказалась до 11 раз выше, чем у более ранних систем с сопоставимым количеством мышечной ткани.

Прыжки, ходьба и захват предметов

На основе новых актуаторов исследователи создали несколько вариантов биогибридных роботов. Они способны прыгать, плавать, перемещаться по поверхности и захватывать предметы. Особенно заметными оказались прыжки: при одном сокращении устройство поднималось примерно на 5 миллиметров над дном чашки — приблизительно на треть собственной длины.

Ходячая версия робота двигалась со скоростью 6,2 миллиметра в секунду. Если учитывать размеры устройства, это, по словам исследователей, самая высокая скорость среди ранее описанных ходячих биогибридных роботов.

Сильные движения обеспечиваются не только самой мышечной тканью. Важным условием оказалось прочное непрерывное соединение мышцы с каркасом. Специальные тонкие канавки удерживают ткань на месте и помогают выстроить мышечные волокна в нужном направлении, благодаря чему сокращение эффективнее передаётся всей конструкции.

У технологии пока остаётся существенное ограничение: живой мышечной ткани нужна питательная среда. Поэтому такие роботы не могут долго работать без внешней поддержки. До создания автономного биогибридного устройства, способного функционировать длительное время, исследователям ещё предстоит решить проблему поддержания жизнеспособности мышц.