Японцы построили миниатюрного четвероногого робота с живыми мышцами

Японские инженеры создали миниатюрный четвероногий шагоход размером 13 × 8 миллиметров, ноги которого приводятся в движение актуаторами из искусственно выращенной на основе клеток мышей мышечной ткани. Генетически модифицированные мышечные волокна сокращаются под действием синего света, и биогибридный робот поочередно поднимает и опускает ноги. Помимо движения по прямой, шагоход способен на повороты влево и вправо. Статья опубликована в журнале Advanced Robotics Research.

Миниатюризация роботов толкает инженеров к поиску новых типов актуаторов, так как привычные варианты — например, электродвигатели — при уменьшении масштаба теряют эффективность и просто перестают помещаться в корпус. Одно из возможных решений — биогибридные роботы, в которых роль актуаторов выполняют искусственно выращенные мышцы. В последние годы в этой области набирает популярность оптогенетический подход — в геном мышечных клеток внедряют ген ChR2 (канальный родопсин-2), который кодирует белок, чувствительный к синему свету с длиной волны около 480 нанометров. Такие фоточувствительные ткани затем можно активировать, просто посветив на них.

По сравнению с более стандартной в таких случаях электрической стимуляцией оптогенетический подход позволяет активировать мышцы бесконтактно и исключает повреждение тканей из-за электролиза. Благодаря этим преимуществам инженеры уже создали несколько типов биогибридных роботов, способных двигаться по прямой и поворачивать. Однако большинство из них устроены одинаково: полоски мышечной ткани прикреплены к гибким балкам, деформация которых приводит только к волнообразному ползанию, а не к полноценной ходьбе.

Инженеры под руководством Сёдзи Такэути (Shoji Takeuchi) из Токийского университета пришли к выводу, что для реализации полноценной шагающей походки необходим принципиально иной дизайн, в котором бы мышечные актуаторы сочетались с жестким скелетом и суставами. Результатом их работы стал миниатюрный четвероногий робот. Вместо гибких балок они использовали жесткий корпус с суставами, оси вращения которых наклонены относительно горизонтали. Благодаря этому сокращение мышц создает крутящий момент, поднимающий ногу вверх.

Корпус и ноги робота напечатали на 3D-принтере. В качестве актуаторов выступили мышечные ткани выращенные в виде колец из оптогенетически модифицированных миобластов, смешанных с гидрогелем и отлитых в формах из полидиметилсилоксана. После нескольких дней культивирования созревшие мышечные кольца пересадили на столбики суставов робота. Кольца расположили антагонистическими парами — симметрично на левой и правой сторонах корпуса, так что каждое кольцо можно стимулировать отдельно. Для повышения однородности мышечных колец инженеры применили оптическую тренировку: на протяжении всего периода выращивания клетки циклически стимулировали светом, чередуя облучение и отдых. Разработчики дополнительно обработали мышечные кольца кофеином, который стимулирует высвобождение кальция в клетках, что увеличило максимальную силу сокращения мышечных колец в 1,7 раза и компенсировало относительно низкую отдачу за счет оптогенетической стимуляции по сравнению с электрической.

Во время испытаний полностью собранный биогибридный шагоход уверенно перемещался в жидкой питательной среде. При стимуляции с частотой два герца и длительностью импульса 200 миллисекунд робот прошел более трех миллиметров за 50 секунд. Анализ подтвердил, что кончики его ног совершали периодические вертикальные перемещения, синхронизированные с импульсами света, — робот шагал, а не полз. При асимметричной стимуляции (10 миллисекунд с одной стороны и 100 с другой) робот поворачивал влево, а при симметричной — вправо, поскольку мышечные кольца на двух сторонах изначально различались по силе сокращения.

Разработчики планируют масштабировать архитектуру робота, создав систему с несколькими суставами. А еще — интегрировать микро-светодиоды непосредственно в корпус, что сделает стимуляцию более равномерной, а робота — автономным.

В 2025 году инженеры этой же группы собрали биогибридную роборуку, приводимую в движение актуаторами из пучков выращенных в лаборатории человеческих мышц. Конечность могла выполнять движения каждым пальцем по отдельности и передвигать небольшие предметы.