Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) создали необычного робота-пловца, который обходится без традиционного электродвигателя. Его движителем служит живая мышечная ткань: генетически модифицированные клетки сокращаются под воздействием света и заставляют две гибкие «плавники» двигаться в воде.
Новый аппарат настолько тонкий, что его конструкцию можно сравнить с пленкой толщиной всего полмиллиметра. При этом робот способен самостоятельно плыть и менять направление, следуя за источником света. Исследователи считают эту работу первым примером очень тонкого двумерного робота, способного перемещаться исключительно за счет живых мышц.
Как устроен робот на живых мышцах
В основе конструкции находится тонкая пленка из гелевого материала GelMA — желатинметакрилата. Ее толщина составляет примерно 0,5 мм. По обе стороны пленки расположены гибкие участки, выполняющие роль плавников.
На каждый плавник нанесен слой живых скелетных мышечных клеток, причем его толщина меньше человеческого волоса. Клетки предварительно генетически модифицировали так, чтобы они сокращались в ответ на свет.
Когда исследователь направляет свет на один из плавников, находящиеся на нем клетки сокращаются. Плавник изгибается и отталкивает воду, создавая тягу.
Если освещать только левую или правую сторону, робот может менять направление движения. При одновременной стимуляции обоих плавников они работают вместе и толкают аппарат вперед.
Получается своеобразная биологическая версия гребного движителя: вместо электромотора и жесткого механизма здесь работает мышечная ткань.
Почему живые мышцы оказались эффективнее обычного микродвигателя
Идея использовать мышцы в качестве приводов для роботов появилась не вчера. Биологические ткани обладают интересным сочетанием свойств: они мягкие, способны преобразовывать химическую энергию в механическое движение и при правильном стимулировании могут становиться выносливее.
Проблема заключается в масштабе. Большинство предыдущих биогибридных роботов использовали относительно объемные трехмерные конструкции, покрытые большим количеством выращенных в лаборатории мышечных клеток. Для создания таких систем требуются миллионы клеток.
Команда под руководством Риту Раман (Ritu Raman), доцента кафедры машиностроения MIT, решила проверить, можно ли добиться аналогичного движения с помощью буквально одного тонкого слоя мышечной ткани.
Результат оказался положительным — но для этого пришлось тщательно подобрать «скелет», на котором растут клетки.
От мягкого геля к искусственному скелету
Предыдущая работа группы Раман была посвящена искусственной мышечной конструкции, вдохновленной радужной оболочкой человеческого глаза. Исследователи выращивали мышечные клетки на диске из геля с концентрическими и радиальными канавками.
Под воздействием света клетки сокращались в разных направлениях, заставляя диск растягиваться и сжиматься подобно радужке глаза. Однако перемещение составляло всего около 100 микрометров — слишком мало для практического применения в робототехнике.
Для нового робота требовалось получить гораздо большую механическую силу. И здесь выяснилось, что важны не только сами мышцы, но и материал, на котором они выращены.
В предыдущем эксперименте использовался фибрин — очень мягкий гель. Он оказался слишком податливым: при сокращении мышц материал деформировался, мешая эффективно передавать усилие.
Исследователи начали менять сразу несколько параметров основы: состав геля, его жесткость, а также форму и размеры микроскопических канавок на поверхности.
Канавки помогают мышцам работать согласованно
Оказалось, что геометрия поверхности имеет большое значение. Канавки с квадратным профилем лучше направляли рост клеток, чем канавки с закругленным профилем.
В результате клетки выстраивались более организованно, объединялись в мышечные волокна и сокращались согласованнее. Более жесткая основа также позволяла получить более сильное сокращение.
Оптимальным вариантом стала пленка GelMA толщиной около полумиллиметра. Она оказалась достаточно прочной, чтобы удерживать мышечные клетки, но при этом оставалась достаточно легкой и гибкой, чтобы двигаться вместе с ними.
Перед сборкой робота мышцы дополнительно «тренировали»: исследователи многократно стимулировали их световыми импульсами. Такая тренировка помогла повысить их способность к работе.
В результате получилась конструкция с двумя независимыми биологическими приводами. Если осветить один плавник, двигается только он. Если включить свет с обеих сторон, оба плавника начинают работать одновременно.
Робот научился проходить водный лабиринт
Чтобы проверить конструкцию, исследователи поместили робота в большую чашку Петри с водой. Источник света перемещали над поверхностью жидкости вручную.
Робот реагировал на свет, взмахивая соответствующим плавником, и таким образом мог проходить через простой водный лабиринт. По сути, ученые получили демонстрацию управляемого движения живой мышечной ткани, непосредственно встроенной в мягкую роботизированную конструкцию.
Скорость пока далека от впечатляющей. На максимальной скорости робот проходит за минуту расстояние примерно в четыре раза больше собственной длины.
Для сравнения, олимпийский пловец за то же время способен преодолеть до 65 длин собственного тела. Однако исследователи подчеркивают, что их цель на данном этапе заключалась не в создании быстрого пловца, а в демонстрации принципиально нового способа движения микророботов.
Зачем нужны роботы с живыми мышцами
Главное преимущество такой конструкции проявляется именно при миниатюризации.
Обычные механические приводы трудно масштабировать до очень маленьких размеров: электродвигатели, редукторы и другие компоненты занимают место и требуют дополнительных элементов управления. Живая мышечная ткань способна выполнять функцию привода непосредственно на поверхности гибкой основы.
Кроме того, биологическая ткань мягкая и реагирует на окружающую среду. Поэтому в перспективе подобные биогибридные роботы могут оказаться полезными там, где жесткие механизмы оказываются слишком громоздкими или способны повредить хрупкие объекты.
Один из возможных вариантов — мониторинг водных экосистем. Небольшой мягкий робот потенциально сможет перемещаться среди чувствительных биологических объектов, не создавая такого механического воздействия, как традиционный аппарат.
Однако до автономного подводного микроробота еще далеко. В нынешнем эксперименте источник света перемещался вручную, а скорость аппарата остается небольшой.
Следующий шаг — ускорить робота
Исследователи намерены в первую очередь изменить геометрию самого корпуса, чтобы увеличить скорость плавания.
И это важный момент: сама мышечная ткань уже продемонстрировала способность создавать достаточную для движения силу. Теперь инженерам предстоит эффективнее преобразовать это усилие в поступательное движение.
Если им удастся добиться большей скорости и автономности, технология может стать основой для нового поколения небольших биогибридных роботов, в которых искусственные материалы будут сочетаться с живыми тканями.
Пока перед нами лишь небольшой лабораторный прототип. Но эксперимент MIT показывает интересную вещь: чтобы заставить робота двигаться, не всегда нужен мотор. Иногда достаточно правильно организовать слой живых клеток — и дать им возможность работать как настоящим мышцам.
