Az izmok életben tartása sushi-technikával
Amikor vastagabb és erősebb izmokat próbálunk létrehozni, a mélyebb rétegek sejtjei nem jutnak elég tápanyaghoz és oxigénhez, így elhalnak. Az élő szervezetekben ezt a problémát az érrendszer oldja meg. Mivel a mesterséges érrendszer kialakítása még megoldatlan, Takeuchi csapata egy egyedi módszerhez nyúlt: a sushi-készítés technikájához.
A csapat vékony, lapos izomrostokat növesztett egymás mellett a Petri-csészében, így minden sejt elegendő tápanyaghoz és oxigénhez jutott. Miután az izomrostok megerősödtek, a kutatók feltekerték őket csövekké, amelyeket MuMuTA-nak (multiple muscle tissue actuator) neveztek el – ezek hasonlítanak egy sushi-tekercshez. “A MuMuTA-kat vékony izomlemezek tenyésztésével és hengeres kötegekké tekerésével hoztuk létre, így optimalizáltuk az összehúzódási képességet, miközben fenntartottuk az oxigén diffúzióját,” magyarázza Takeuchi.
A MuMuTA-k mozgását a két végükhöz csatlakoztatott elektródákon keresztül továbbított elektromos jelek indították el. Ezek az “izom-sushitekercsek” képesek voltak hajlításra vagy forgásra, attól függően, hogy mely rostok húzódtak össze. Az összehúzódási erőt a feszültség szabályozásával lehetett változtatni.
Kő-papír-olló játék a robotkézzel
A kéz 3D-nyomtatással készült műanyagból, és folyadékban lebegve működött. Minden ujjnak három ízülete volt, melyeket kábelen keresztül kapcsoltak az alkarban elhelyezett MuMuTA-khoz – összesen ötöt helyeztek el. A MuMuTA-k különálló üvegtartályokban kaptak helyet, amelyek korlátozták az elektromos mezők szétterjedését, így egyenként vezérelhetők voltak. A hátsó végüket a műanyag szerkezethez rögzítették, míg az első végüket kábelek kapcsolták az ujjakhoz.
A MuMuTA-k szelektív összehúzódásával a kéz különféle gesztusokat volt képes végrehajtani – például a kő-papír-olló játék mozdulatait –, de akár tárgyakat is meg tudott fogni, mint egy pipettát. Erősségük jelentős volt a tipikus laboratóriumban növesztett izomrendszerekhez képest: egyenként 8 mN összehúzódási erőt generáltak, ami egy kis gémkapocs felemeléséhez elegendő. Továbbá Takeuchi sushi-tekercs módszere növelte az izmok élettartamát, mivel a MuMuTA-kat használat után ki lehetett csavarni, hogy a sejtekhez ismét eljusson az oxigén és a tápanyag.
A biohibrid kéz korlátai
A kutatócsoportnak néhány korlátozással is szembe kellett néznie. Az első probléma az volt, hogy az ujjak csak egy irányba tudtak mozogni – az izmok összehúzódtak az elektromos jelek hatására, de az ujjakat csupán az anyag felhajtóereje juttatta vissza eredeti helyzetükbe. Takeuchi szerint az egyik lehetséges megoldás rugalmas anyagok alkalmazása lenne az ízületekben, ami gyorsabb “visszapattanást” eredményezne. A másik lehetőség öt további antagonista MuMuTA telepítése lenne, hogy a kéz kétirányú mozgásokat is végezzen – hasonlóan az emberi kéz működéséhez.
A második akadály az volt, hogy a MuMuTA-k és az azok által hajtott kéz nem volt képes folyadék nélküli működésre. “A száraz környezetben való működéshez a jövőbeli fejlesztéseknek tartalmazniuk kell mesterséges tápanyag-szállító rendszereket és védővázakat, amelyek biztosítják a szövetek életképességét a folyadék közegen kívül,” mondja Takeuchi.
A legszembetűnőbb probléma azonban megoldatlan maradt: körülbelül 10 percnyi gesztikulálás és tárgymozgatás után a biohibrid kéz elfáradt. A kutatók az izomfáradtságot a magasabb feszültségek során fellépő gyengébb erőhatásokból vették észre. Intenzív használat után az izmok összehúzódási ereje csökkent, és csak egyórás pihenés után tért vissza eredeti állapotába.
Edzőterem a biohibrid robotoknak
A laboratóriumban növesztett izmok összehúzódási ereje 0,7 mN volt négyzetmilliméterenként, ami nem rossz összehasonlítva más laborban növesztett izmokkal, de gyenge az élő izmokhoz képest, amelyek körülbelül 6 mN erőt generálnak négyzetmilliméterenként. Takeuchi szerint a megoldás a mozgás lehet.
“Akárcsak a természetes izmok, a mesterséges izmok is profitálhatnak az edzésből, ahol az ismételt összehúzódások idővel javítják a kitartást és az erőt,” mondja Takeuchi. A kutatócsoport további lehetőségként kémiai növekedési faktorok alkalmazását is felvetette, vagyis “bedoppingolhatják” az izmokat.
Takeuchi biohibrid robotkezekkel kapcsolatos kutatását a Science Robotics folyóiratban publikálták.
