Лаборатория Ritu Raman в MIT показала плавающего робота, которого двигают не моторы и не пневматика, а слой живых мышечных клеток. Статья вышла в Advanced Functional Materials 19 октября. Автор материала на сайте MIT News Дженнифер Чу описывает конструкцию так: скелет робота это плёнка геля длиной и шириной примерно со жвачку, две её половины работают как плавники.
Что именно собрали
На каждый плавник нанесён слой мышечных клеток, который тоньше человеческого волоса. Клетки генетически модифицированы так, чтобы сокращаться от вспышки света. Светят на левый плавник, он машет, и этого хватает, чтобы протянуть всю конструкцию сквозь воду. Светят на правый, робот поворачивает. Меняя интервал между вспышками, исследователи задают направление и скорость.
Плавники независимы. Раман предлагает смотреть на робота как на две отдельные мышцы. Если светить на одну, двигается только она. Если на обе, машут обе.
Раньше группа Раман и другие коллективы делали биогибридов из объёмных трёхмерных кусков скелетной мышцы, выращенной в лаборатории. На одного такого робота уходили миллионы клеток. Новая версия двумерная: тонкая плёнка, один слой клеток, меньше материала. Раман называет её первым примером очень тонкого плоского робота на мышечной тяге, который вообще способен перемещаться.
Гель оказался важнее мышц
Прорыв случился не в клетках, а в подложке. Год назад та же лаборатория сделала диск, повторяющий радужку глаза: на геле выштамповали концентрические и радиальные борозды, клетки росли вдоль них и при освещении сжимали и растягивали диск, как зрачок. Тогда клетки двигались примерно на 100 микрометров. Для робототехники это почти ничего.
Чтобы получить усилие, достаточное для плавания, команда начала перебирать параметры геля: состав, жёсткость, геометрию борозд. В прошлой версии клетки росли на фибрине, очень мягком геле, который быстро сморщивается под нагрузкой от самих мышц. Фибрин заменили на желатин-метакрилат (GelMA), распространённый материал в тканевой инженерии. Сделали несколько рецептур разной жёсткости и посмотрели, как на них ведут себя клетки. Лучше всего клетки выстраивались и давали наибольшее усилие на более жёстких гелях.
Отдельно проверяли форму канавок. Один вариант был узким квадратным жёлобом, другой длинной изогнутой ложбиной. В квадратных бороздах клетки ложились ровнее, а ровный слой сливается в волокна и сокращается согласованнее. Толщину плёнки тоже подбирали: остановились на 0,5 мм. Такой слой достаточно прочный, чтобы держать клетки, и достаточно лёгкий, чтобы при сокращении они не отрывались от геля.
Последний шаг: тренировка. Мышцы «упражняли» серией световых вспышек, постепенно повышая нагрузку, как в спортзале. После тренировки клетки слились в волокна и стали тянуть сильнее.
Как проверяли
Робота опустили в большую чашку Петри с водой и поставили в ней лабиринт. Источник света исследователи перемещали над чашкой вручную, робот шёл за светом и огибал препятствия. Максимальная скорость около четырёх длин тела в минуту. Для сравнения: пловец олимпийского уровня проходит до 65 длин тела в минуту, акула-бык в океане движется примерно с той же неторопливой скоростью, что и этот аквабот.
«Через воду нужно приложить гораздо больше усилий, чем через воздух», говорит Раман. «Для своего размера робот довольно сильный».
Соавторы статьи по MIT: Махира Бава (первый автор), Ариэль Берман, Лора Швендеман, Фердоус Афга, Шонбайрон Джонсон. Работу частично поддержало Управление военно-морских исследований США.
Зачем это нужно
Скорость четыре длины тела в минуту не впечатляет, и авторы это признают. Следующая задача: переделать корпус, чтобы плавать быстрее. Но ставка здесь не на рекорды, а на свойства живой ткани: она мягкая, реагирует на среду и умеет заживать. Там, где обычная техника мнёт и ломает всё вокруг, такой робот может пройти рядом с хрупким объектом.
Раман видит применение в экологическом мониторинге водоёмов. Биогибрид размером с жвачку способен зайти в щель, куда не полезет металлический корпус, и не оставить после себя пластикового мусора. Пока это лабораторный прототип, которым управляют вручную светом, но конструкция задаёт направление: усилие мышц зависит от геля не меньше, чем от самих клеток.
Источник: https://robohub.org/powered-by-muscle-cells-a-paper-thin-robot-swims-through-watery-maze/
