В МТИ разработали искусственную мышцу, вдохновленную человеческой радужной оболочкой глаза

Воспроизведение работы естественных мышц — одна из важнейших задач, стоящих перед робототехникой и биоинженерией. Недавно группа исследователей совершила большой прорыв, вырастив искусственную мышечную ткань, способную выполнять сложные движения. Благодаря сочетанию научных достижений и практического применения это достижение может в ближайшем будущем улучшить реконструкцию мышц, усовершенствовать человеко-машинные интерфейсы и сделать движения роботов гораздо более естественными.

До сих пор разработка искусственных мышц наталкивалась на серьезное ограничение: их способность к движению часто ограничивается одним направлением. Это ограничение сравнимо с тем, как если бы роботизированная рука могла сгибаться, но не могла вращаться, что замедляет прогресс в создании машин, способных сравниться с плавностью и сложностью биологических движений.

В феврале прошлого года заметный прорыв произошел в Польше, где стартап Clone Robotics представил Protoclone, человекоподобного робота с мускулатурой, удивительно близкой к человеческой. Эта модель оснащена 1 000 искусственных мышц под названием «Myofiber», вдохновленных пневматическими мышцами Маккиббена. Они работают с помощью сетчатых трубок с шариками, которые сокращаются и расслабляются, воспроизводя биомеханику человеческих мышц.

Но самый последний прорыв был сделан в Массачусетском технологическом институте (МТИ), где инженерам удалось имитировать множественную ориентацию естественных мышечных волокон, что позволило добиться более плавных и сложных движений.

Архитектура мышц, вдохновленная человеческой радужной оболочкой глаза

Инновация, разработанная в Массачусетском технологическом институте, основана на передовых методах микротопографии, что позволяет создать искусственную мышцу, способную к концентрическим и радиальным сокращениям, подобно человеческой радужной оболочке.

«Мы считаем, что с помощью этой конструкции, вдохновленной радужной оболочкой глаза, нам удалось продемонстрировать способность первого робота, управляемого скелетными мышцами, генерировать разнонаправленную силу», — говорит Риту Раман, профессор тканевой инженерии факультета машиностроения Массачусетского технологического института, в пресс-релизе.

Для достижения этого результата исследователи разработали метод под названием «STAMP». Согласно исследованию, опубликованному в журнале Biomaterials Science, методика (под названием STAMP) включает в себя 3D-печать прецизионной площадки с микрожелобками, имитирующими клеточную архитектуру. Живые мышечные клетки имплантируются в эти канавки, где они превращаются в волокна, способные сокращаться в нескольких направлениях.

Точная техника биологической печати

Чтобы оптимизировать этот тонкий процесс, команда нанесла на подушечку слой белков, прежде чем вдавить ее в гидрогель. Этот метод обеспечивает идеальный перенос рисунка и позволяет удалить подушечку, не повредив хрупкую структуру, которая поддерживает развитие клеток.

Чтобы продемонстрировать эффективность своего подхода, ученые воспроизвели сложную структуру человеческой радужной оболочки. После печати рисунка на гибком гидрогеле был создан отпечаток, который направлял направленный рост мышечных волокон. Менее чем через 24 часа клетки выровнялись в микрожелобках отпечатка и начали срастаться в функциональные мышечные волокна, точно следуя заранее заданному шаблону.

Эти мышечные клетки хорошо реагировали на электрическую и фотонную стимуляцию, сокращаясь в соответствии с ориентацией микрожелобков. Такой уровень функциональной сложности знаменует собой беспрецедентный прогресс в создании синтетических тканей. Раман подчеркивает важность этого прорыва: «Наша искусственная мышечная структура представляет собой первый пример скелетной мышцы, способной функционировать в разнонаправленных ориентациях».

По словам команды, эта инновация не ограничивается улучшением работы гибких роботов. Она представляет собой значительный прогресс в биоинженерии, преодолевая некоторые препятствия, которые до сих пор ограничивали разработку адаптируемых искусственных мышечных систем. «Мы хотим создавать ткани, воспроизводящие архитектурную сложность настоящих тканей», — говорит Раман. «Для достижения этой цели очень важно иметь такой уровень точности производства».

Многочисленные применения с многообещающими перспективами

Этот прорыв, который позволит создавать искусственные мышцы со сложными, разнонаправленными движениями, сулит множество конкретных инновационных применений. Биогибридные роботы, оснащенные этой технологией, смогут ориентироваться в среде, недоступной для обычных машин, и выполнять манипуляции с высокой точностью.

Последствия выходят далеко за рамки робототехники и затрагивают такие разные области, как регенеративная медицина, функциональная реабилитация и передовые биотехнологии. Возможность создавать ткани, точно повторяющие механические свойства и реактивность естественных мышц, может, в частности, улучшить лечение нервно-мышечных поражений.