Кроковий біомеханізм створений з надрукованих на 3D-принтері елементів і штучно вирощених скелетних м’язів

Ріс. 1. Конструкція крокового механізму нагадує дві частини кінцівки, з’єднані суглобом. Роль «кісток» і «сухожиль» виконала деталь, надрукована на 3D-принтері, м’язи були вирощені в лабораторних умовах з мишачих міобластів. Малюнок з додаткових матеріалів до обговорюваної статті

Американські дослідники сконструювали найпростіший кроковий механізм, що відтворює пристрій двох частин кінцівки, з’єднаних суглобом. Скорочення м’яза забезпечуються двома «ніжками», приєднаними своїми кінцями до гнучкої пластини. Пересувається цей простий пристрій під дією електричних імпульсів, які з певною частотою подаються в живильне середовище, в якому він знаходиться.

Ми звикли думати про роботи як про складні металеві конструкції з суворо контрольованою і передбачуваною поведінкою. Для створення таких машин використовуються традиційні методи виробництва, а методики і підходи до роботи з матеріалом можуть бути запозичені у автомобільної промисловості та електроніки. Однак металеві роботи не здатні впоратися з цілою низкою делікатних завдань (кумедний приклад — так і не вирішена проблема з автоматизацією упаковки яєць). Крім труднощів з виконанням окремих завдань у металевих роботів існують і більш глобальні проблеми, що перешкоджають їх широкому впровадженню. Зокрема, жорсткий корпус робить конструкцію робота міцною і надійною, але не безпечною для оточуючих його живих істот. Поява металевих роботів у квартирах і офісах могла б вимагати створення складної системи пересування, аналогічної системі автомобільних доріг, і навіть введення відповідних правил руху. Інша принципова проблема з такими роботами — трудність створення великої кількості ступенів свободи. Рухи металевих роботів все ще залишаються досить примітивними, так що розвиток «тіл» роботів поки істотно відстає від рівня розвитку їх «мізків», які програмісти вже здатні навчити мислити досить гнучко.

На тлі всго цього нова гілка розвитку робототехніки — створення м’яких роботів з гнучкими корпусами, що не мають жорстких шарнірних конструкцій всередині, — виглядає досить перспективною. Багато конструкторів таких роботів черпають натхнення у природи. Так, італійські дослідники створили штучні аналоги щупалець восьминога, а американські вчені нещодавно сконструювали м’якого робота-рибу, що пересувається за рахунок подачі різних порцій вуглекислого газу в порожнині його тіла.

Розвивається і ще більш цікавий підхід до створення м’яких роботів: біоінженерія з використанням штучно вирощених тканин. Таким способом вже була отримана штучна медуза, створена з вирощеної на силіконовій основі серцевої мускулатури. Однак через свою здатність скорочуватися мимовільно, серцева мускулатура не є найкращим матеріалом для створення роботів з контрольованою поведінкою. Більш перспективним є використання скелетної мускулатури, призначеної природою для здійснення довільних рухів, у тому числі — і свідомо контрольованих.

Американські дослідники з декількох університетів вибрали для свого біомеханізму максимально просту конструкцію, фактично відтворюючи пристрій двох частин кінцівки, з’єднаних суглобом (рис. 1). Скорочення м’яза, приєднаного своїми кінцями через дві «ніжки» до гнучкої пластини, згинають її. Якщо «ніжки» мають різну довжину, то після розслаблення м’яза конструкція робить крок у напрямку більш короткої «ніжки». «Ніжки», що відповідають сухожиллям суглоба, і пластину, що з’єднує їх, відповідну кісткам в суглобі, замінювала собою єдина деталь, надрукована на 3D-принтері з гідрогелю, причому частина, що відповідає кісткам, була зроблена менш гнучкою, а частини, що відповідають сухожиллям, — більш гнучкими.

Потім між «ніжками» механізму нанесли суспензію міобластів миші в гелі, що містить компоненти природного міжклітинного матриксу: ламінін, ентактин, колаген, фібриноген і тромбін. Для нормального функціонування штучних м’язів також виявилися необхідні інсуліноподібний фактор зростання-1 (IGF-1) і інгібітори протеаз — виділяються клітинами ферментів, які могли б порушити структуру штучного матриксу навколо них. У такому матриксі клітини можуть розмножуватися, а структура м’яза виявляться досить гнучкою для її скорочення. Варіюючи концентрації клітин і компонентів матриксу в суспензії, можна впливати на властивості м’яза, а зміна кількості IGF-1 в середовищі впливає на швидкість її дозрівання. Важливо, що за відсутності судин у такій простій системі можна отримати лише досить тонкий м’яз, інакше доступ кисню до клітин в її центральній частині буде ускладнений (рис. 2).

Рис, 2. Вирощування штучного м’яза для біомеханізму. Довжина масштабних лінійок 1 мм. Малюнок з обговорюваної статті

Пересувається цей простий пристрій під дією електричних імпульсів, які з певною частотою подаються в живильне середовище, в якому він знаходиться. До пристроїв на основі скелетних м’язів можна застосовувати й інші методи керування, наприклад оптогененетичний, коли скорочення м’язів запускаються впливом світла з певної довгої хвилі (див. Mahmut Sakar et al., 2012. Formation and Optogenetic Control of Engineered 3D Skeletal Muscle Bioactuators). Для цього м’язи потрібно вирощувати з міобластів, в які введено ген катійного каналу родопсина-2, що запускає в клітку катіони при впливі блакитного світла. Коли в клітку входять катіони кальцію, м’яз скорочується.

Контрольовані зовнішніми сигналами біороботи є перспективними об’єктами для майбутніх розробок. У даному випадку інтерес представляє простота моделі; однак модель може бути ускладнена: наприклад, за допомогою додавання інших типів клітин. Добре б ще було досягти зростання судин, щоб можна було збільшувати товщину м’язів, а також іннервації, що дало б неймовірно цікаві перспективи отримати біороботів, що реагують на зовнішні стимули. З іннервацією штучних тканин справи поки що складно, зате зі зростанням судин у штучних органах є певні успіхи (див. вирощений в лабораторії зачаток печінки перетворився в організмі миші на функціонуючий орган, «Елементи», 28.08.2013).

Ріс. 3. Багатоніжки на основі з’єднання декількох крокових модулів. Довжина масштабних лінійок 2 мм. Малюнок з додаткових матеріалів до обговорюваної статті

З подібних простих модулів можна також зібрати кумедні багатоногі біомеханізми, ескізи яких автори додають до своєї статті (рис. 3). 3D-друк вже поширений досить широко, і, можливо, не за горами часи, коли гуртки цікавої біоінженерії з’являться в кожній поважаючій себе школі.

Джерело: C. Cvetkovic et al. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle // PNAS. 2014. DOI:10.1073/pnas.1401577111.

Юлія Кондратенко