Biohybryda z ludzką tkanką mięśniową. To może być przełom

Biohybrydowa ręka robotyczna z wykorzystaniem ludzkich komórek mięśniowych - to brzmi jak science fiction, jednak profesor Shoji Takeuchi z Uniwersytetu Tokijskiego oraz jego zespół faktycznie czegoś takiego dokonali. Biohybrydato system łączący elementy biologiczne (np. komórki, tkanki, organizmy) z technologicznymi komponentami (np. elektroniką, sztucznymi materiałami).

Celem takiego połączenia jest wykorzystanie w zastosowaniach technologicznych unikalnych właściwości organizmów żywych, np. zdolności do regeneracji, adaptacji czy precyzyjnego ruchu. I zespół z Tokio tego dokonał. Ręka "zasilana" tkanką mięśniową może wykonywać gesty, takie jak te używane w grze "kamień, papier, nożyce", oraz manipulować przedmiotami.

Wykorzystano do tego MuMuTAs (multiple muscle tissue actuators). To odpowiednio przekształcone wiązki mięśniowe, które mogą się zginać lub obracać w odpowiedzi na sygnały elektryczne. Są one kluczowym elementem biohybrydowej ręki robotycznej, umożliwiając jej wykonywanie ruchów i gestów.

Aby uzyskać taki element, zespół zaczął od wykorzystania ludzkich komórek do hodowli płaskich, cienkich włókien mięśniowych na szalce Petriego. Następnie wyhodowane włókna zwinięto w rolki, podobnie jak ma to miejsce przy przygotowywaniu sushi. To pozwoliło na zoptymalizowanie kurczliwości przy jednoczesnym utrzymaniu dyfuzji tlenu.

- Udało nam się zasilić biohybrydową rękę, uzyskując indywidualną kontrolę palców i różnorodne ruchy przy użyciu sygnałów sterujących. Niniejsze badanie pokazuje potencjał MuMuTAs jako źródła napędu dla zaawansowanej robotyki biohybrydowej - podkreślili naukowcy.

Dłoń wydrukowano w 3D z tworzywa sztucznego, każdy palec ma trzy stawy i możliwa jest oddzielna kontrola każdego z nich dzięki implementacji MuMuTAs i kontrolowaniu skurczy za sprawą sygnałów elektrycznych. Nie jest to jeszcze wersja ostateczna, ponieważ napotkano szereg trudności.

- Skalowanie robotów biohybrydowych było trudne ze względu na słabą siłę skurczu mięśni hodowanych w laboratorium, ryzyko martwicy w grubych tkankach mięśniowych oraz wyzwanie związane z integracją siłowników biologicznych ze sztucznymi strukturami - wskazał Takeuchi.

Już teraz MuMuTAs mają więc udowodniony potencjał do zastosowania w innych robotach. Dzięki swojej zdolności do precyzyjnego zginania i obracania w odpowiedzi na sygnały elektryczne takie komponenty z tkanki ludzkiej mogą znaleźć zastosowanie w robotach medycznych, protetycznych, a także w robotach przemysłowych, gdzie precyzyjne manipulowanie obiektami jest kluczowe. To jednak dopiero początek drogi, by osiągnąć takie zaawansowanie w wykorzystaniu ludzkiej tkanki mięśniowej.

Problem od zawsze stanowi długotrwałe utrzymanie żywotności grubszych struktur mięśniowych. Ryzyko martwicy zespół profesora ograniczył jednak właśnie poprzez technikę "rolowania sushi". Wciąż jest to niemniej temat daleki od perfekcji. Dodatkowo istnieją inne problemy. Ręka "żyje" i działa bowiem tylko w środowisku płynnym. W dodatku wciąż szybko wykazuje oznaki zmęczenia - biohybryda musi "odpocząć" po około 10 minutach użytkowania. 

- Aby przejść do suchego środowiska, przyszłe rozwiązania będą musiały uwzględniać sztuczne systemy dostarczania składników odżywczych i rusztowania ochronne, aby utrzymać żywotność tkanek poza płynnym medium - wskazał Takeuchi, wyjaśniając też kwestie męczliwości biohybrydy. - Podobnie jak naturalne mięśnie, inżynieryjne mięśnie mogą skorzystać z ćwiczeń, gdzie powtarzające się skurcze zwiększają wytrzymałość i siłę skurczu w czasie.

Utrzymywane razem przez wydrukowany w 3D robotyczny stelaż komponenty nadal stanowią więc wyzwanie, jednak już teraz mówi się o przełomie. Widać bowiem duży krok naprzód w dziedzinie robotyki biohybrydowej, gdyż niektóre z wyhodowanych w laboratorium mięśni pracowały nawet przez 178 dni.

Wyniki badań nad biohybrydową ręką aktywowaną dzięki ludzkim tkankom mięśniowym opublikowane zostały na łamach "Science Robotic".

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 88 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!