Биогибридная рука с живой мускулатурой успешно справилась с некрозом

Группа учёных из Токийского университета достигла значительного прогресса, разработав полноразмерную био-гибридную руку длиной 18 см, работающую на искусственно выращенных человеческих мышцах. Это стало возможным благодаря новаторскому подходу, который устранил проблему некроза — главного препятствия в создании крупных биомеханических систем.

Био-гибридные роботы, объединяющие биологические элементы (такие как мышцы и растительные материалы) с искусственными структурами, до сих пор были небольшими и простыми, поскольку поддержание жизнеспособности тканей представляло собой серьёзную задачу. «Масштабирование этих систем было затруднено из-за низкой сократительной силы культивированных мышц, риска отмирания клеток в более плотных тканях и сложностей интеграции биологических компонентов с синтетическими», — пояснил профессор Сёдзи Такэути, ведущий исследователь проекта.

Революционный метод был вдохновлён техникой приготовления суши-роллов. Исследователи вырастили тонкие мышечные волокна в питательной среде на чашках Петри, обеспечив превосходную доставку кислорода и питательных веществ. Затем эти волокна сворачивали в цилиндрические пучки, названные MuMuTAs (multiple muscle tissue actuators). «Такая конфигурация позволяет оптимизировать сократимость, оставаясь при этом эффективной для диффузии кислорода», — подчеркнул Такэути.

Каждый из пяти MuMuTAs, размещённых в стеклянных контейнерах, создавал усилие в 8 мН, этого достаточно, чтобы поднять канцелярскую скрепку. Электрические импульсы через электроды, прикреплённые к концам, активировали мышцы. Это позволяло руке выполнять жесты как «камень-ножницы-бумага», держать пипетку и сгибать пальцы с тремя суставами, контролируемые с помощью тросов. Лабораторные мышцы демонстрируют сократительную силу 0.7 мН/мм², в то время как живые ткани достигают 6 мН/мм². Такэути предложил «тренировать» искусственные мышцы для повышения выносливости и силы: «Повторяющиеся сокращения могут усилить их, подобно естественным мышцам». Также можно использовать стимуляцию химическими факторами роста.

Тем не менее, система имеет свои ограничения. Движение пальцев возможно лишь в одном направлении, а их возврат осуществляется благодаря плавучести жидкой среды. Для достижения двустороннего контроля Такэути предложил добавить эластичные материалы или дополнительную группу мышц-антагонистов, как в человеческой руке. Кроме того, в настоящее время рука функционирует за счёт жидкости, питающей ткани. «Для адаптации к сухой среде потребуется разработка искусственных систем доставки питательных веществ», — заметил учёный.

Ещё одной проблемой остается усталость искусственных мышц: после 10 минут активного использования сократительная сила MuMuTAs начинала снижаться, и только час «отдыха» в питательной среде восстанавливал её.

Невзирая на существующие ограничения, данная разработка открывает перспективы создания сложных био-гибридных систем — от нового поколения протезов до роботов с «живыми» мышцами. Успех метода MuMuTAs доказывает, что даже без использования искусственной сосудистой сети можно справиться с проблемой некроза. Следующим шагом станет интеграция таких мышц в автономные системы, способные функционировать за пределами лаборатории.

Источник: iXBT