В Японии разработали биогибридную руку с человеческими мышцами

Ученые из Токийского университета и Университета Васэда в Японии разработали биогибридную руку, которая приводится в движение с помощью выращенной в лаборатории мышечной ткани человека.Статья об этой уникальной разработке опубликована в журнале Science Robotics.

Роборука имеет в длину 18 сантиметров, способна выполнять движения индивидуально каждым из пяти пальцев, а также может передвигать небольшие предметы и делать жест «ножницы». Исследователи использовали тонкие нити выращенной в лабораторных условиях мышечной ткани, свернутые в пучки, чтобы придать пальцам достаточную силу для сокращения.

Эти множественные «приводы» из мышечной ткани MuMuTA (Multiple Muscle Tissue Actuator), созданные исследователями, являются важным шагом на пути к созданию более крупных биогибридных конечностей. Несмотря на то, что в настоящее время MuMuTAs ограничены лабораторными условиями, они обладают потенциалом для продвижения будущего биогибридного протезирования, облегчения тестирования лекарств на мышечной ткани и расширения возможностей биогибридной робототехники для имитации реальных форм жизни.

Рука изготовлена из пластика и напечатана на 3D-принтере. До сих пор биогибридные устройства, как правило, имели гораздо меньший масштаб (около 1 сантиметра в длину) или ограничивались более простыми движениями или движением в одном суставе. У биогибридной руки имеются многосуставные пальцы, которыми можно двигать по отдельности для совершения жестов или в комбинации для манипулирования объектами. 

Толстую мышечную ткань, необходимую для движения больших конечностей, трудно вырастить в лаборатории, поскольку она подвержена некрозу. Это происходит, когда к центру мышцы поступает недостаточно питательных веществ, что приводит к потере ткани. Однако, используя множество тонких мышечных тканей, соединенных вместе, чтобы действовать как одна большая мышца, команда ученых смогла создать сухожилия достаточной прочности.

«Нашим ключевым достижением стала разработка MuMuTA. Это тонкие нити мышечной ткани, выращенные в питательной среде, а затем свернутые в жгут наподобие суши-ролла, чтобы сформировать каждое сухожилие», - объясняет профессор Седзи Такеучи из Токийского университета. Мышцы для MuMuTA искусственно вырастили из миобластов, клеток-предшественников мышечных волокон, человеческой скелетной мышечной ткани.

MuMuTA формируется из нескольких расположенных в ряд мышечных полосок, концы которых закрепляют на 3D-печатных держателях. В процессе выращивания эти держатели остаются плоскими, а при окончательной сборке их скручивают в рулон. Такая конструкция обеспечивает высокую плотность мышечных волокон при сохранении компактных размеров.Создание MuMuTA позволило ученым преодолеть большую проблему, которая заключалась в обеспечении достаточной силы сокращения и длины мышц для управления крупной структурой руки.

MuMuTA стимулируются с помощью электрических токов, передаваемых по водонепроницаемым кабелям. Поочередное сгибание пальцев в разной последовательности позволило имитировать различные жесты. Кроме этого, исследователи продемонстрировали способность руки к простейшим манипуляциям - так, с помощью сжатия пальцев удалось переместить наконечник для пипетки.

Интересно, что после 10 минут электрической стимуляции сократительная сила тканей уменьшилась и появились признаки усталости, но биорука восстановилась всего за один час отдыха.

В настоящее время рука помещена в специальную жидкость, чтобы «приводы», которые соединяют мышцы с рукой, могли функцианировать без трения, позволяя пальцам двигаться плавно. Однако биоинженеры считают, что при дальнейшем развитии можно будет создать руку, способную свободно двигаться. Также ученые планируют улучшить конструкцию, чтобы она могла выполнять не только сгибательные, но и разгибательные движения.

«Основная цель биогибридной робототехники - имитировать биологические системы, что требует увеличения их размеров.  Наша разработка MuMuTA является важной вехой в достижении этой цели», - говорит Такеучи.

Область биогибридной робототехники все еще находится в зачаточном состоянии, и предстоит преодолеть множество фундаментальных проблем. Но ученый уверен, что эти препятствия будут устранены, и данная технология может быть использована в передовом протезировании, а также может послужить инструментом для понимания того, как мышечные ткани функционируют в биологических системах, для тестирования хирургических процедур или лекарств, нацеленных на мышечные ткани. 

Марина КЫН