Японские биоинженеры разработали миниатюрного двуногого шагающего робота, ноги которого приводятся в движение актуаторами на основе искусственно выращенной мышечной ткани. Биогибрид под действием электростимуляции способен шагать со средней скоростью 5,4 миллиметра в секунду и разворачиваться на одном месте, совершая поворот на 90 градусов за минуту. Статья с описанием конструкции робота опубликована в журнале Matter.
Миниатюризация роботов подталкивает работающих в этой области инженеров к поиску новых типов актуаторов, так как традиционные электромоторы становятся непрактичными с уменьшением размеров. На сегодняшний день существует уже достаточно много работ, посвященных разработке альтернативы. Одно из перспективных направлений в этой области связано с созданием биогибридов — роботов, в конструкции которых используются искусственно выращенные биологические ткани. К примеру, несколько лет назад, японские исследователи успешно применили мышцы, выращенные на основе крысиных клеток-миобластов, в роли актуатора, способного поднимать небольшие грузы.
В своей новой работе биоинженеры под руководством Сёдзи Такэути (Shoji Takeuchi) из Токийского университета рассказали, что пошли дальше и создали на основе искусственно выращенных мышц миниатюрного шагающего робота. Тело этого биогибридного шагохода выполнено из полидиметилсилоксана. В нижней его части находятся два гибких плоских отростка, которые играют роль ног. На их концах закреплены «ступни», сделанные из фоторезистивной акриловой смолы. Между ногами и верхней частью тела натянута культивированная отдельно на основе крысиных миобластов скелетная мышечная ткань.
В каждую ногу имплантированы дополнительные грузы в виде отрезков металлической проволоки. Это необходимо, чтобы сделать центр тяжести робота как можно ниже. Сверху на корпусе закреплен поплавок из полистирола, который позволяет сохранять вертикальное положение во время экспериментов в акриловом контейнере, заполненном питательной жидкостью, нужной для поддержания работоспособности мышечной ткани.
Ноги приводятся в движение стимуляцией мышечной ткани электрическим полем. В экспериментах биоинженеры вручную подносили электроды непосредственно к мышцам то левой, то правой ноги. Сокращающаяся мышечная ткань при этом сдвигает соответствующую ногу вперед относительно ее первоначального положения. При попеременной активации ног робот движется в прямом направлении со средней скоростью 5,4 миллиметра в минуту. В случае же повторяющейся активации только одной из ног, робот начинает поворачивать. При этом неподвижная вторая нога выступает в роли оси, вокруг которой движется робот. Таким образом, биогибрид может разворачиваться фактически на одном месте. При стимуляции мышцы одной ноги каждые пять секунд робот совершает поворот на 90 градусов за 62 секунды.
Представленная лабораторная версия робота пока не имеет практического применения. Однако инженеры уверены, что в будущем это может измениться. Для этого первым делом им необходимо перейти от ручной стимуляции мышц к автоматической, чтобы повысить скорость передвижения робота и его автономность. Другое важное направление будущей работы — разработка способа сохранения биогибридных мышечных актуаторов вне резервуара с питательной жидкостью. Для работы в воздушной среде также потребуется увеличить и силу мышц робота. Так без дополнительной выталкивающей силы жидкости увеличится трение, действующее на ноги.
Несмотря на простоту, у элекростимуляции мышц есть и серьезный недостаток — слабая избирательность, из-за которой активируются не только целевые клетки, но и те, что расположены поблизости. Для того чтобы избежать этого, биоинженеры разработали трансгенные мышцы, которые реагируют на свет определенной длины волны. Недавно американские инженеры представили несколько моделей биогибридных роботов, которые приводятся в движение с помощью актуаторов на основе такой оптогенетической мышечной ткани.