Воспроизведение работы настоящих мышц – главная задача робототехники и биоинженерии. Ученые недавно добились прорыва, вырастив искусственную мышечную ткань, способную выполнять сложные действия. Благодаря сочетанию научных открытий и практического применения это достижение может улучшить реконструкцию мышц, сделать человеко-машинные интерфейсы более совершенными и придать движениям роботов большей естественности в ближайшем будущем.
Разработка искусственных мышц сталкивается со значительной проблемой: их подвижность обычно ограничивается одним направлением, подобно тому как роботизированная рука может сгибаться, но не вращаться. Такое ограничение замедляет прогресс в создании машин, способных достичь плавности и сложности биологических движений.
В феврале прошлого года в Польше стартап Clone Robotics представил Protoclone — робота, внешне похожим на человека, с мускулатурой, очень напоминающей человеческую. Модель оснащена тысячей искусственных мышц под названием «Myofiber», вдохновленных пневматическими мышцами Маккиббена. «Myofiber» работают благодаря сетчатым трубкам с шариками, которые сокращаются и расслабляются, воспроизводя биомеханику человеческих мышц.
Самый последний прорыв произошел в Массачусетском технологическом институте, где инженерам удалось смоделировать многократную ориентацию природных мышечных волокон, что привело к более плавным и сложным движениям.
Архитектура мускулатуры, основанная на строении человеческого глаза.
В Массачусетском технологическом институте разработали инновацию, основанную на микротопографии. Она позволяет создавать искусственные мышцы, совершающие сокращения как в направлении центра (концентрические), так и по радиусу, подобно радужной оболочке человека.
«С помощью данной конструкции, основанной на радужной оболочке глаза, первому роботу с управлением скелетными мышцами удалось продемонстрировать возможность генерации разнонаправленной силы. » — говорит Рита Раман, профессор тканевой инженерии факультета машиностроения Массачусетского технологического института, в сообщении для прессы.
Чтобы получить такой результат, учёные создали метод под названием «STAMP». По данным исследования, опубликованного в журнале Biomaterials Science, методика (называемая STAMP) включает 3D-печать платформы с микроканавками, имитирующими клеточную структуру. Жизнь клетки мышц имплантируются в эти канавки, где формируют волокна, способные сокращаться в нескольких направлениях.
Точная техника биологической печати
Для оптимизации тонкого процесса команда нанесена на подушечку слой белков перед тем как вдавить её в гидрогель. Такой метод обеспечивает идеальный перенос рисунка и позволяет удалить подушечку без повреждения хрупкой структуры, которая поддерживает развитие клеток.
Для показа эффективности своего метода ученые воспроизвели сложную структуру радужной оболочки человека. Печать рисунка на гибком гидрогеле дала отпечаток, который управлял направленным ростом мышечных волокон. Менее чем за 24 часа клетки выстроились в микрожелобках отпечатка и начали скрепляться в функциональные мышечные волокна, строго следуя заранее заданному шаблону.
Мышечные клетки прекрасно откликались на электрическую и световую стимуляцию, сокращаясь в соответствии с направлением микрожелобков. Такая степень функциональной сложности является беспрецедентным успехом в разработке искусственных тканей. Наша искусственная мышечная структура – первый образец скелетной мускулатуры, работающей в разных направлениях. ».
Команда заявляет, что данное нововведение выходит за рамки повышения эффективности гибких роботов. Наша цель — изготовление тканей, которые повторяют структурную многослойность натуральных тканей. », — говорит Раман. «Достижение данной цели возможно лишь при высоком уровне точности производства. ».
Многочисленные применения с многообещающими перспективами
Этот прорыв, открывающий возможность создавать искусственные мышцы с сложными многонаправленными движениями, обещает множество конкретных инновационных применений. Биогибридные роботы, оборудованные этой технологией, смогут ориентироваться в среде, недоступной обычным машинам, и выполнять манипуляции высокой точности.
Последствия распространяются за пределы робототехники, затрагивая регенеративную медицину, функциональную реабилитацию и передовые биотехнологии. Возможность создания тканей с механическими свойствами и реактивностью естественных мышц может улучшить лечение нервно-мышечных поражений.