Плавающему роботу не обязательно нужен громоздкий мотор или мощные механические детали, чтобы двигаться в воде. Исследователи из MIT показали, что один тщательно сконструированный слой живых мышечных клеток способен создать достаточную силу, чтобы продвигать крошечного робота вперед.
Инженеры разработали сверхтонкого плавающего робота, который приводит в движение плавники с помощью живой мышечной ткани. Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials, основой устройства служит гибкий гелевый каркас длиной и шириной примерно с пластинку жевательной резинки. Гель образует два плавника, каждый из которых покрыт слоем мышечных клеток, намного более тонким, чем человеческий волос. Эти клетки генетически модифицированы так, чтобы сокращаться под действием света.
Направляя свет на тот или иной плавник, исследователи могут вызывать сокращения мышц, из-за которых плавник совершает взмахи и толкает робота сквозь воду. Меняя, на какой плавник падает свет и как часто его освещают, команда управляет и скоростью, и направлением движения робота.
В экспериментах этот необычайно тонкий робот успешно плавал и поворачивал в простом подводном лабиринте. На максимальной скорости он проплывал примерно четыре длины собственного тела в минуту. Это намного медленнее, чем у олимпийского пловца, который может преодолевать до 65 длин тела в минуту, но сопоставимо со скоростью шестижаберной акулы, неспешно плывущей в океане.
«Чтобы двигаться в воде, требуется гораздо больше силы, чем в воздухе, — говорит автор исследования Риту Раман, адъюнкт-профессор машиностроения MIT. — Для своего размера робот довольно сильный».
Новое поколение роботов на живых мышцах
Устройство стало первой демонстрацией очень тонкого двумерного робота, который способен перемещаться с места на место за счет живой мышечной ткани.
Большинство существующих биогибридных роботов опираются на довольно крупные трехмерные структуры из выращенной в лаборатории скелетной мышечной ткани. Для их создания обычно требуются миллионы клеток. Раман объясняет, что более тонкие конструкции могут снизить затраты на производство и, возможно, повысить эффективность движения.
«Сейчас биогибридные роботы нашей группы и других исследователей строятся из громоздких трехмерных кусков выращенной в лаборатории скелетной мышцы, для изготовления которых нужны миллионы клеток, — говорит Раман, отмечая, что более тонкие и менее громоздкие конструкции, такие как новый робот команды, могут быть дешевле в изготовлении и двигаться эффективнее. — Мы считаем, что биогибридные роботы на живых мышцах однажды смогут выполнять деликатные задачи, например исследовать среды, слишком хрупкие или непредсказуемые для обычной техники, потому что живая ткань мягкая, реагирует на окружающие условия и способна самовосстанавливаться».
В состав исследовательской группы MIT также вошли первый автор Махира Бава, а также Ариэль Берман, Лаура Швендеман, Фердоус Афгах и Шонбирон Джонсон.
От искусственной мышцы к плавающему роботу
Новый плавающий робот опирается на более раннее достижение лаборатории Рамана. В прошлом году исследователи создали диск из искусственной мышцы, вдохновленный радужной оболочкой человеческого глаза, и показали, как тонкий слой живых клеток может производить точно контролируемые движения.
Для того проекта инженеры нанесли на гелевый диск узор из канавок, расходящихся от центра и образующих концентрические окружности. Затем на поверхность поместили живые мышечные клетки, которые разрослись в тонкий слой вдоль канавок.
Под действием света мышечная ткань сокращалась в разных направлениях, из-за чего диск растягивался и сжимался. Его движения напоминали то, как радужная оболочка человеческого глаза меняет форму, когда зрачок расширяется или сужается.
Эксперимент показал, что исследователи могут выращивать чрезвычайно тонкие мышечные слои со сложным расположением волокон и с помощью света управлять их движением в нескольких направлениях.
«Раньше никто не видел, чтобы такая архитектура мышц создавалась с нуля, — говорит Раман. — И клетки двигались в нескольких направлениях. Но смещение составляло всего около 100 микрон. С точки зрения робототехники эти движения были крошечными».
В новом проекте исследователи хотели значительно увеличить амплитуду движения и силу, которую создают мышечные клетки. Их цель состояла в том, чтобы получить сокращения, достаточно мощные для продвижения робота сквозь воду.
Они определили, что для этого потребуется более подходящая основа для живой мышечной ткани.
В прежней искусственной радужке в качестве базовой структуры использовался фибрин — исключительно мягкий гель. Однако команда обнаружила, что фибрин может быстро сжиматься под действием сил, которые создают сокращающиеся мышечные клетки, что снижает эффективность получаемого движения.
Чтобы решить эту проблему, инженеры изучили три характеристики гелевой основы: ее химический состав, жесткость, а также размеры и геометрию канавок, которые организуют рост мышц.
«Известно, что при создании любой ткани это параметры, которые можно настраивать, — говорит Раман. — И мы хотели оптимизировать все эти параметры, чтобы поддерживать живые мышечные клетки».
Создание более сильного робота на мышечной тяге
Чтобы найти подходящий материал для основы, пришлось испытать гели с разными составами, степенью жесткости и узорами на поверхности.
Исследователи сравнили несколько форм канавок, в том числе узкие каналы с квадратным профилем и более длинные каналы с закругленным дном. Они обнаружили, что мышечные клетки лучше выстраиваются внутри канавок квадратной формы.
Это выравнивание было важно, потому что мышечные клетки, растущие в одном направлении, с большей вероятностью сливаются в волокна. Такие волокна затем могут образовывать более сильную мышечную ткань, которая сокращается согласованно. Поэтому квадратные канавки оказались более эффективной структурой для создания силы.
Команда также заменила фибрин на метакрилированный желатин (GelMA) — материал, который широко используют для выращивания и инженерии биологических тканей.
Изменяя состав GelMA, исследователи получали гели-основы с разной степенью жесткости. Затем они изучали, как развиваются мышечные клетки на каждой поверхности, и измеряли их способность создавать силу.
Лучшие результаты дали более жесткие гели. На таких поверхностях мышечные клетки лучше выстраивались и создавали более сильные сокращения.
Далее инженеры исследовали, какой толщины должен быть гель. Они определили, что пленка толщиной около половины миллиметра обеспечивает оптимальный баланс. Она достаточно прочна, чтобы поддерживать один слой мышечных клеток, и при этом достаточно легка, чтобы сокращающиеся клетки не отрывались от поверхности.
Команда также повысила работоспособность мышц с помощью своего рода тренировки. Повторяющиеся импульсы света стимулировали клетки к сокращению и укрепляли мышечную ткань до того, как ее встроили в плавающего робота.
Как свет заставляет живого робота плыть
Когда гелевая структура была оптимизирована, а мышечные клетки укреплены, исследователи собрали плавающее устройство.
Готовый робот представлял собой тонкий гелевый каркас, разделенный на два плавника. С обеих сторон геля был нанесен узор из канавок с квадратным дном, и поверхность покрывали живые мышечные клетки. По мере развития клетки сливались в упорядоченные мышечные волокна, способные сокращаться совместно.
Каждый плавник можно было активировать независимо с помощью света, что давало исследователям простой способ управлять движением робота.
«Можно представить, что у робота две независимые мышцы, — говорит Раман. — Если направить свет только на одну, двигается только она. Если осветить обе, взмахивают обе».
Чтобы испытать устройство, исследователи поместили его в большую чашку Петри с водой. Затем они вручную перемещали источник света, освещая плавники, и вели робота через лабиринт, расположенный внутри чашки.
Когда мышцы сокращались, плавники совершали взмахи и толкали робота сквозь воду. Изменяя световую стимуляцию, инженеры успешно управляли его движением и помогали ему огибать препятствия.
Хотя робот продемонстрировал способность плавать и поворачивать, его нынешняя форма остается довольно простой. Главная цель эксперимента состояла в том, чтобы показать, что исключительно тонкий слой искусственно выращенной мышечной ткани способен создавать силу, достаточную для плавания.
Теперь исследователи планируют доработать корпус робота, чтобы повысить его скорость. Помимо демонстрации нового подхода к биогибридной робототехнике, эта технология в перспективе может пригодиться для мониторинга водной среды или работы в местах, где обычные жесткие машины могли бы причинить ущерб.
«Наша следующая цель — оптимизировать конструкцию корпуса, чтобы робот плавал быстрее, — говорит Раман. — Но даже при небольшой скорости плавания можно представить, что пловец на мышечной тяге будет использоваться, например, для экологического мониторинга в водной среде».
Частичное финансирование исследования предоставило Управление военно-морских исследований США (Office of Naval Research).