Учените са открили как да предпазят изкуствените тъкани от некроза – решението е неочаквано гастрономично.

Биохибридните роботи съчетават биологичните компоненти като мускули, растителни тъкани и дори гъби с небиологични материали. Вече сме се научили да създаваме надеждни изкуствени структури, но все още е трудно да поддържаме органичните компоненти. Ето защо роботите, използващи биологични мускули, остават малки и опростени – дълги не повече от няколко сантиметра, с една или две движещи се части.

„Увеличаването размера на биохибридните роботи е предизвикателство поради слабата съкратителна сила на лабораторно отгледаните мускули, риска от некроза в дебелите мускулни тъкани и трудностите при интегрирането на биологичните задвижващи механизми с изкуствените структури“, обяснява професор Шоджи Такеучи от Токийския университет.

Той и екипът му са разработили пълноразмерна, 18-сантиметрова биохибридна ръка, в която всичките пет пръста се задвижват от лабораторно отгледани човешки мускули.

Проблемът с оцеляването

Едно от основните предизвикателства при създаването на големи биохибридни роботи остава некрозата – клетъчна смърт поради липсата на кислород и хранителни вещества. В лабораторията мускулите се отглеждат върху богата на хранителни вещества среда, която им осигурява всичко необходимо. Докато тъканта остава тънка и плоска, няма проблем – всяка клетка получава достатъчно кислород.

Но щом мускулите станат по-дебели и мощни, клетките дълбоко в тях губят достъп до хранителните вещества и умират. В живите организми този проблем се решава чрез система от кръвоносни съдове, но в изкуствено отглежданите тъкани все още не е възможно да се създаде такава. Такеучи и екипът му намират заобиколен вариант – „суши ролки“.

Изследователите започват с отглеждането на тънки мускулни влакна, подредени едно до друго в блюдо на Петри. Това им дало възможност да получават кислород и да останат здрави. Когато мускулите достигнали необходимия размер, те били навити в цилиндрични структури, наречени MuMuTAs (multiple muscle tissue actuators).

„MuMuTA са създадени от тънки мускулни слоеве, навити в цилиндри, което подобрява тяхната контрактилност и позволява проникването на кислорода“, обяснява Такеучи.

Движението в MuMuTA се предизвиква от електрически импулси, подавани чрез електроди в краищата. В зависимост от това кои влакна се съкращават, тези „мускулни ролки“ могат да се огъват или въртят. Интензивността на свиването се контролира чрез промяна на напрежението.

След успешните изпитания на MuMuTA изследователите започнаха да ги използват за управление на пръстите на биохибридната ръка.

Камък, ножица, хартия

Ръката е била 3D-принтирана от пластмаса и окачена в течна среда. Всеки пръст се състои от три стави и се контролира чрез кабели, свързани с MuMuTAs, които са разположени в предмишницата. За да се сведе до минимум въздействието на електрическите полета, задвижващите механизми са поставени в стъклени контейнери и след това са прикрепени към пластмасова рамка.

Когато изследователите свиват различните MuMuTA, ръката може да изпълнява различни жестове, включително знаци от играта „камък, ножица, хартия“, както и да държи предмети като пипета. Основното предимство на MuMuTA се оказа тяхната сила: всеки задвижващ механизъм развива 8 милинютона – достатъчно, за да повдигне кламер за хартия. Освен това мускулите могат да се разгъват след употреба, което им дава достъп до кислорода и хранителните вещества, което удължава техния живот.

Но не липсват и недостатъци. Първо, пръстите могат да се огъват само на една страна – мускулите се свиват, но трябва да разчитат на плавучестта на материала, за да се върнат в първоначалното си положение. В човешката ръка този проблем е решен чрез антагонистични мускули, работещи по двойки. Такеучи предложи две решения: използване на еластични материали в ставите за еластично връщане или добавяне на пет допълнителни MuMuTA за двустранно движение.

Вторият проблем е, че ръката може да работи само в течна среда. Преместването ѝ в сухи условия би изисквало изкуствена система за доставка на хранителните вещества и защитни структури, които да поддържат жизнеспособността на тъканите.

Но най-явният нерешен проблем за биомускулите остава умората.

Биохибридните роботи се нуждаят от тренировки

По време на тестовете е установено, че при интензивно натоварване силата на свиване на MuMuTA намалява само след няколко минути. След 10 минути работа мускулите се уморяват, а възстановяването отнема около час. В същото време тези тъкани не са изпитвали такива натоварвания като истинските човешки мускули в лабораторията.

Максималната специфична сила на съкращение, постигната при експеримента, е 0,7 милинютона на квадратен милиметър – добра величина за лабораторните мускули, но само около 12% от тази на живата тъкан (6 милинютона на квадратен милиметър).

Такеучи смята, че физическото обучение може да бъде решението.

„Подобно на естествените мускули, изкуствените мускули могат да подобрят издръжливостта и силата си с редовни упражнения“, убеден е той.

Друга възможност е да се използват химически растежни фактори за засилване на контракциите. Това вече прилича повече на „допинг“ за биохибридните мускули.

Докато меките роботи и усъвършенстваните протези стават все по-разпространени, комбинацията от жива тъкан и механизми все още е сравнително рядка. Областта на биохибридната наука е в начален стадий на развитие, като има само няколко примера, като например изкуствени риби, задвижвани от човешки сърдечни клетки, или роботи, използващи за чуване уши от скакалци. Тази нова биохибридна ръка представлява значителна стъпка напред в практическото приложение на тази технология.

Работата на Такеучи и неговия екип е публикувана в списание Science Robotics.