Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS), создали метод, позволяющий искусственно выращенным мышцам укрепляться без внешней стимуляции, решив одно из главных ограничений биогибридной робототехники. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Команда соединила две мышцы так, чтобы они постоянно тянули друг друга. Поскольку на ранних стадиях развития мышечные клетки сокращаются сами по себе, они фактически «тренируют» друг друга без сложной электроники или систем управления.
«По мере созревания клетки начинают спонтанно сокращаться. Поскольку ткани соединены, они постоянно тянут друг друга, фактически выполняя физические упражнения без внешнего контроля», — пояснил доцент Тан Ю Цзюнь.
Как работает самотренировка
Идея базируется на естественных сокращениях незрелых мышечных клеток. В созданной системе одна мышца при сокращении растягивает вторую, которая отвечает тем же. Это создает непрерывный цикл движения, постепенно укрепляющий обе ткани.
Особенность метода в том, что мышцы сами создают условия для тренировки, а исследователи лишь наблюдают и интегрируют их в робота. Такой подход позволил добиться рекордной силы для лабораторно выращенных мышц — 7,05 миллиньютонов, что примерно равно силе, необходимой, чтобы удержать на весу маленькую скрепку или 0,7 грамма воды. Напряжение мышц составило 8,51 миллиньютонов на квадратный миллиметр, то есть каждый квадратный миллиметр ткани может тянуть с силой почти одного грамма. Для микробиогибридных роботов это огромная сила, обеспечившая OstraBot быстрое и точное движение.
Клетки, с которыми работают ученые, легко достать, поэтому эксперимент можно повторить и увеличить масштабы без особых трудностей.
Рекордная скорость и контроль
Тренированные мышцы были интегрированы в OstraBot, биогибридного робота, имитирующего плавание рыбы-коробки. Робот развивал скорость 467 миллиметров в минуту, почти в три раза быстрее, чем аналоги с обычной мышечной тканью.
Помимо скорости, робот демонстрировал точное управление. Движение хвоста можно было регулировать электрическими сигналами, а запуск и остановку обеспечивали даже звуковые сигналы, например хлопки в ладоши.
«Хлопок показывает, что робот не просто живой, он управляемый. Усиленные мышцы позволяют реагировать на внешние сигналы, подобно нервной системе в организме», — добавил Тан.
Потенциал для роботов
Этот подход открывает путь к созданию нового класса мягких машин, работающих на живых клетках. Их можно использовать в медицине, для мониторинга окружающей среды и в биоразлагаемой робототехнике.
В перспективе команда планирует разрабатывать полностью биоразлагаемые устройства, которые безопасно распадутся после выполнения задачи. Это могут быть временные медицинские имплантаты или датчики, размещаемые в уязвимых экосистемах.
«Долгое время ученые хотели использовать живые мышцы для движения роботов, потому что они мягкие, адаптивные и энергоэффективные. Ограничением была низкая сила лабораторных мышц. Наш метод устраняет эту проблему и открывает путь к более сложным биогибридным системам», — отметил Тан.
С помощью самотренировки можно создавать мышцы, которые не только сильнее, но и умнее в управлении. Команда показала, что даже с одной тренированной мышцей робот способен плавать быстрее и точнее, чем аналоги с обычными тканями.
Биогибридные системы, усиленные таким образом, могут стать основой для роботов нового поколения — безопасных, адаптивных и биоразлагаемых, что особенно важно для медицинских и экологических приложений.
Робот смог бережно поймать рыбку благодаря новым искусственным мышцам
Биоинженеры создали для роботов искусственную кожу с осязанием: видео
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX