Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали плавающего робота, движение которого обеспечивает всего один слой живых мышечных клеток. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials. Основой устройства служит тонкая плёнка геля размером примерно со жевательную резинку.
Две половины гелевой пластины выполняют роль плавников. Каждый из них покрыт слоем живых мышечных клеток, который тоньше человеческого волоса. Клетки были генетически изменены так, чтобы сокращаться под воздействием света. Когда учёные направляют свет на один плавник, мышцы на его поверхности начинают подёргиваться, и плавник взмахивает с достаточной силой, чтобы тянуть робота сквозь воду. Меняя очерёдность и интервалы вспышек, можно управлять направлением и скоростью движения.
Робот толщиной с лист бумаги успешно проплыл и развернулся в простом водном лабиринте. На максимальной скорости он преодолевает расстояние, примерно в четыре раза превышающее длину его тела, за одну минуту. Для сравнения: олимпийские пловцы способны проплывать до 65 длин тела за минуту, а коровья акула перемещается в океане примерно с той же скоростью, что и новый робот.
«Чтобы двигаться в воде, а не в воздухе, требуется немалая сила, — отмечает автор исследования Риту Раман, доцент кафедры машиностроения MIT. — Для своего размера робот довольно сильный».
Новое устройство стало первым примером очень тонкого, двумерного робота на мышечной тяге, способного к локомоции. По словам Раман, существующие био-гибридные роботы, включая разработки её группы, собираются из объёмных трёхмерных фрагментов выращенной в лаборатории скелетной мускулатуры, для чего нужны миллионы клеток. Более тонкие и компактные конструкции могут оказаться дешевле в производстве и эффективнее в движении. «Мы верим, что био-гибридные роботы на живой мускулатуре однажды смогут выполнять деликатные задачи, например исследовать среду, слишком хрупкую или непредсказуемую для обычной техники, поскольку живая ткань мягкая, реагирует на окружение и способна залечивать себя», — добавила она. Соавторами работы от MIT выступили Махира Бава, Ариэль Берман, Лора Швендеман, Фердоус Афгах и Шонбирон Джонсон.
В предыдущем проекте группа Раман создала вдохновлённый радужкой диск из искусственной мышечной ткани: на гель наносился узор из концентрических и радиальных бороздок, а сверху высевались живые мышечные клетки. Они образовывали тонкий слой вдоль бороздок и при световой стимуляции двигались так, что диск растягивался и сжимался, подобно зрачку. Тогда клетки смещались лишь примерно на 100 микрон — с точки зрения робототехники это ничтожно мало. В новой работе команда стремилась увеличить усилие мышц, чтобы питать плавающего робота, и главным оказалось оптимизировать «скелет», на котором растут клетки. Вместо фибрина, который быстро сморщивается под действием мышечных сил, исследователи взяли желатин-метакрилат (GelMA), часто применяемый в тканевой инженерии, и подобрали его состав, жёсткость, а также размер и форму бороздок.
В ходе экспериментов выяснилось, что клетки лучше выстраиваются в квадратных, а не в изогнутых бороздках, а наибольшее усилие развивают на более жёстких гелях. Оптимальной толщиной плёнки GelMA оказались полмиллиметра: она достаточно лёгкая, чтобы клетки при сокращении не отслаивались. Мышцы дополнительно «тренировали» серией световых вспышек. В итоге был создан тонкий робот с двумя плавниками из геля с квадратными бороздками и слоем мышечных клеток, которые слились в прочную волокнистую ткань. «Можно представить, что у робота две независимые мышцы, — поясняет Раман. — Если посветить на одну, движется только она; если на обе — взмахивают обе». Помещённый в большую чашку Петри с водой, аппарат следовал за рукой оператора с источником света и проходил лабиринт, взмахивая плавниками. Текущая конструкция довольно проста по форме: исследователи сначала хотели доказать, что робот способен развить достаточное усилие для плавания. «Наша следующая цель — оптимизировать корпус, чтобы плавать быстрее, — говорит Раман. — Но даже при небольшой скорости можно представить себе плавающего робота на мышечной тяге, например, для экологического мониторинга водной среды». Часть финансирования обеспечило Управление военно-морских исследований США.