Våra muskler är naturens drivkrafter. Det är den seniga vävnaden som genererar de krafter som får våra kroppar att röra sig. Under de senaste åren har ingenjörer använt äkta muskelvävnad för att driva ”biohybridrobotar” som är tillverkade av både levande vävnad och syntetiska delar.
Genom att kombinera laboratorieframställda muskler med syntetiska skelett konstruerar forskarna en rad olika muskeldrivna krypande, gående, simmande och greppande robotar.
Men för det mesta är dessa konstruktioner begränsade i fråga om rörelseomfång och kraft. Nu siktar ingenjörer vid MIT på att ge biobotarna en kraftökning med hjälp av artificiella senor.
I en studie publicerad i tidskriften Advanced Science utvecklade forskarna artificiella senor gjorda av tålig och flexibel hydrogel. De fäste de gummibandsliknande senorna i båda ändarna av en liten bit laboratorieframställd muskel och bildade en ”muskel-senenhet”. Sedan kopplade de ihop ändarna på varje artificiell sena med fingrarna på en robotgripdon.
När de stimulerade den centrala muskeln att dra ihop sig, drog senorna ihop griparens fingrar. Roboten klämde ihop fingrarna tre gånger snabbare och med 30 gånger större kraft jämfört med samma design utan de anslutande senorna.
Forskarna föreställer sig att den nya muskel-senanheten kan passa till ett brett spektrum av biohybridrobotdesign, ungefär som ett universellt tekniskt element.
”Vi introducerar artificiella senor som utbytbara kopplingar mellan muskelaktuatorer och robotskelett”, säger huvudförfattaren Ritu Raman, biträdande professor i maskinteknik (MechE) vid MIT. ”En sådan modularitet skulle kunna göra det enklare att konstruera ett brett spektrum av robotapplikationer, från mikroskaliga kirurgiska verktyg till adaptiva, autonoma utforskningsmaskiner.”
Studien har författats av MIT-medförfattarna Nicolas Castro, Maheera Bawa, Bastien Aymon, Sonika Kohli och Angel Bu, samt studenterna Annika Marschner, Ronald Heisser, Sarah J. Wu ’19, SM ’21, Ph.D. ’24 och Laura Rosado ’22, SM ’25, samt MechE-professorerna Martin Culpepper och Xuanhe Zhao.
Muskelns fördelar
Raman och hennes kollegor vid MIT ligger i framkant inom biohybridrobotik, ett relativt nytt område som har vuxit fram under det senaste decenniet. De fokuserar på att kombinera syntetiska, strukturella robotdelar med levande muskelvävnad som naturliga ställdon.
”De flesta ställdon som ingenjörer vanligtvis arbetar med är väldigt svåra att göra små”, säger Raman. ”Över en viss storlek fungerar inte den grundläggande fysiken. Det fina med muskler är att varje cell är en oberoende ställdon som genererar kraft och producerar rörelse. Så i princip skulle man kunna tillverka riktigt små robotar.”
Muskelställdon har också andra fördelar, vilket Ramans team redan har visat: Vävnaden kan bli starkare när den tränas och kan läka naturligt när den skadas. Av dessa skäl föreställer sig Raman och andra att muskulösa droider en dag kan skickas ut för att utforska miljöer som är för avlägset eller farliga för människor. Sådana muskulösa robotar skulle kunna bygga upp sin styrka för oförutsedda färder eller läka sig själva när hjälp inte finns tillgänglig. Biohybridrobotar skulle också kunna fungera som små kirurgiska assistenter som utför känsliga, mikroskopiska ingrepp inuti kroppen.
Alla dessa framtida scenarier motiverar Raman och andra att hitta sätt att para ihop levande muskler med syntetiska skelett. Hittills har designen inneburit att man odlat ett muskelband och fäst båda ändarna på ett syntetiskt skelett, ungefär som att slinga ett gummiband runt två stolpar. När muskeln stimuleras att dra ihop sig kan den dra ihop delarna av skelettet för att generera en önskad rörelse.
Men Raman säger att denna metod ger upphov till mycket slöseri med muskler som används för att fästa vävnaden vid skelettet snarare än för att få den att röra sig. Och den kopplingen är inte alltid säker. Muskler är ganska mjuka jämfört med skelettstrukturer, och skillnaden kan göra att musklerna slits sönder eller lossnar. Dessutom är det ofta bara sammandragningarna i musklernas centrala del som slutligen utför något arbete – en mängd som är relativt liten och genererar liten kraft.
”Vi funderade på hur vi kunde sluta slösa bort muskelmaterial, göra det mer modulärt så att det kan fästas vid vad som helst och få det att fungera mer effektivt”, säger Raman. ”Lösningen som kroppen har kommit fram till är att ha senor som har en styvhet som ligger mitt emellan muskler och ben, vilket gör det möjligt att överbrygga denna mekaniska obalans mellan mjuka muskler och styvt skelett. De är som tunna kablar som effektivt lindar sig runt lederna.”
’Smart anslutna’
I sitt nya arbete har Raman och hennes kollegor utformat artificiella senor för att ansluta naturlig muskelvävnad till ett syntetiskt gripskelett. Det material de valde var hydrogel – en mjuk men ändå robust polymerbaserad gel. Raman fick hydrogelprover från sin kollega och medförfattare Xuanhe Zhao, som har varit en pionjär inom utvecklingen av hydrogeler vid MIT. Zhaos grupp har tagit fram recept för hydrogeler med varierande hårdhet och töjbarhet som kan fästa på många ytor, inklusive syntetiska och biologiska material.
För att ta reda på hur hårda och töjbara artificiella senor måste vara för att fungera i deras gripdesign, modellerade Ramans team först designen som ett enkelt system med tre typer av fjädrar, som var och en representerade den centrala muskeln, de två anslutande senorna och gripdonets skelett. De tilldelade muskeln och skelettet en viss styvhet, som var känd sedan tidigare, och använde denna för att beräkna den styvhet som de anslutande senorna skulle behöva för att griparen skulle kunna röra sig önskat.
Utifrån denna modellering tog teamet fram ett recept för hydrogel med en viss styvhet. När gelén var klar etsade forskarna försiktigt gelén till tunna kablar för att bilda artificiella senor. De fäste två senor i vardera änden av ett litet prov av muskelvävnad, som de odlade med hjälp av laboratorietekniker. Därefter lindade de varje sena runt en liten stolpe i änden av varje finger på robotgriparen – en skelettkonstruktion som utvecklats av MechE-professorn Martin Culpepper, en expert på att konstruera och bygga precisionsmaskiner.
När teamet stimulerade muskeln att dra ihop sig drog senorna i sin tur i griparen för att klämma ihop fingrarna. Under flera experiment fann forskarna att muskel-senegriparen arbetade tre gånger snabbare och producerade 30 gånger mer kraft jämfört med när griparen aktiverades endast med ett band av muskelvävnad (och utan några artificiella senor). Den nya senbaserade konstruktionen kunde också upprätthålla denna prestanda under 7 000 cykler, eller muskelsammandragningar.
Sammantaget såg Raman att tillägget av artificiella senor ökade robotens kraft-vikt-förhållande med 11 gånger, vilket innebär att systemet krävde mycket mindre muskelkraft för att utföra samma arbete.
”Man behöver bara en liten bit av ett ställdon som är smart anslutet till skelettet”, säger Raman. ”Normalt sett, om en muskel är riktigt mjuk och fäst vid något med högt motstånd, kommer den bara att slitas sönder innan den kan röra något. Men om man fäster den vid något som en sena som kan motstå slitage, kan den verkligen överföra sin kraft genom senan och röra ett skelett som den annars inte skulle ha kunnat röra.”
Teamets nya muskel-senedesign förenar framgångsrikt biologi med robotik, säger biomedicinsk ingenjör Simone Schürle-Finke, docent i hälsovetenskap och teknik vid ETH Zürich.
”De tåliga hydrogel-senorna skapar en mer fysiologisk muskel-sena-ben-arkitektur, vilket avsevärt förbättrar kraftöverföringen, hållbarheten och modulariteten”, säger Schürle-Finke, som inte var involverad i studien. ”Detta förflyttar området mot biohybridsystem som kan fungera repeterbart och så småningom fungera utanför laboratoriet.”
Med de nya artificiella senorna på plats går Ramans grupp vidare med att utveckla andra element, såsom hudliknande skyddande höljen, för att möjliggöra muskeldrivna robotar i praktiska, verkliga miljöer.
