Zusammenfassung:
MIT-Ingenieure haben einen dünnen Schwimmroboter entwickelt, der von lebenden Skelettmuskelzellen angetrieben wird. Es besteht aus einem flexiblen Hydrogelfilm in der Größe eines Kaugummis und zwei flossenartigen Strukturen. Muskelzellen bedecken die Flossen. Das Forschungsteam nutzt Licht, um die Muskelkontraktion anzuregen und die Flossen schlagen zu lassen, um den Roboter im Wasser voranzutreiben. Indem sie abwechselnd Licht auf die linke und rechte Flosse richteten, konnten die Forscher das Tier drehen und durch ein einfaches Unterwasserlabyrinth in einer Petrischale führen.
Dieser Roboter verwendet eine einzelne Schicht Muskelzellmembran und die Gesamtstruktur ist etwa einen halben Millimeter dick. Das Forschungsteam verwendete Gelatinemethacrylat (GelMA), um ein Stützskelett herzustellen, und drückte quadratische Rillen auf die Oberfläche, damit sich Zellen entlang der Rillen anordnen und zu Muskelfasern mit derselben Richtung verschmelzen konnten. Forscher sagten, dass das früher verwendete Fibringel zu weich sei und bei Muskelkontraktionen leicht Falten bilden könne; Das stärkere GelMA und die quadratischen Rillen können die Zellen besser unterstützen und die Muskeln dabei unterstützen, zusammenzuarbeiten, um Kraft auszuüben. Jede Flosse ist etwa 15 mm lang, 7 mm breit und 0,5 mm dick.
Der Roboter nutzt genetisch veränderte Skelettmuskelzellen, die auf Licht reagieren. Das Forschungsteam stimulierte die Zellen zunächst zweimal täglich für jeweils 15 Minuten mit Lichtimpulsen. Im Vergleich zur untrainierten Kontrollgruppe erhöhte sich die Flossenverschiebung nach dem Training um etwa das Vierfache. In der Arbeit wird berichtet, dass dieser zweidimensionale Muskelfilm eine Kraft im Millinewton-Bereich und einen Hub im Millimeterbereich erzeugen kann; Seine kontraktile Kraftdichte pro Gewebevolumeneinheit beträgt etwa das 20-fache der von dreidimensionalen Muskeln, und seine kontinuierliche Arbeitsfähigkeit im unfixierten Zustand hat sich ebenfalls von weniger als 10 Minuten auf mehr als 30 Tage erhöht.
Unter optimalen Testbedingungen beträgt die lineare Schwimmgeschwindigkeit des Roboters etwa 4 Eigenlängen pro Minute und seine Rotationsgeschwindigkeit kann bis zu 1.200 Grad pro Minute erreichen. Es erfordert immer noch, dass Forscher eine Lichtquelle außerhalb der Petrischale halten, um sie zu steuern, und es verfügt noch nicht über integrierte elektronische Geräte oder autonome Navigationsfähigkeiten; Daher bedeutet „unfixiert“, dass der Roboterkörper nicht mit einer externen Halterung verbunden werden muss, was nicht bedeutet, dass er ohne externe Lichtsteuerung unabhängig arbeiten kann. Forscher geben außerdem zu, dass die derzeitige Struktur einfach und die Schwimmgeschwindigkeit langsam ist und dass noch ein langer Weg vor uns liegt, bis es im offenen Wasser eingesetzt werden kann.
Das Forschungsteam wurde von Ritu Raman, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, geleitet und der erste Autor war die Doktorandin Mahira Bawa. Die Ergebnisse wurden in Advanced Functional Materials mit dem Titel „Zweidimensionale Skelettmuskelfilmaktoren verbessern die Effizienz biohybrider Roboter“ veröffentlicht. Das Team geht davon aus, dass das dünne Design möglicherweise zellfreundlicher und kostengünstiger in der Herstellung ist als dreidimensionale Muskelblöcke, die eine große Anzahl von Zellen erfordern, und dass außerdem eine Verbesserung der Bewegungseffizienz erwartet wird. In Zukunft könnte es zur Umweltüberwachung oder zur Durchführung feiner Erkennungsaufgaben in fragilen und unvorhersehbaren Umgebungen eingesetzt werden. Allerdings nutzt die Forschung derzeit nur eine Zelllinie, unidirektional angeordnete Muskelfasern und eine einfache Skelettstruktur. Der nächste Schritt des Teams besteht darin, das Körper- und Flossendesign zu optimieren, die Schwimmgeschwindigkeit zu erhöhen und andere Bewegungsarten zu erkunden.
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