Био-гибридная рука с живыми мышцами преодолела проблему некроза

17.03.2025 20:53:00 | iXBT.com

Команда исследователей из Токийского университета разработала полноразмерную био-гибридную руку длиной 18 см, управляемую искусственно выращенными человеческими мышцами. Это достижение стало возможным благодаря инновационному подходу, решающему проблему некроза — главного препятствия при создании крупных биомеханических систем.

Био-гибридные роботы, сочетающие биологические компоненты (мышцы, растительные материалы) с синтетическими структурами, до сих пор оставались небольшими и простыми из-за сложностей поддержания жизнеспособности тканей. «Масштабирование таких систем ограничивалось слабой сократительной силой культивируемых мышц, риском отмирания клеток в толстых тканях и трудностями интеграции биологических элементов с искусственными», — пояснил профессор Сёдзи Такэути, руководитель исследования.

Иллюстрация: Andriy Onufriyenko

Ключевым прорывом стал метод, вдохновлённый приготовлением суши-роллов. Учёные вырастили тонкие мышечные волокна в питательной среде на чашках Петри, обеспечив равномерное поступление кислорода и питательных веществ. Затем эти слои свернули в цилиндрические пучки, названные MuMuTAs (multiple muscle tissue actuators). «Такая конфигурация оптимизирует сократимость, сохраняя диффузию кислорода», — отметил Такэути.

Каждый из пяти MuMuTAs, размещённых в стеклянных контейнерах, генерировал усилие в 8 мН — достаточно для поднятия канцелярской скрепки. Мышцы активировались электрическими импульсами через электроды, закреплённые на концах. Это позволило руке выполнять жесты «камень-ножницы-бумага», манипулировать пипеткой и сгибать трёхсуставные пальцы, управляемые тросами. Лабораторные мышцы демонстрируют сократительную силу 0.7 мН/мм² против 6 мН/мм² у живых тканей. Для усиления Такэути предлагает «тренировать» искусственные мышцы: «Повторяющиеся сокращения могут повысить выносливость и силу, как у естественных аналогов». Альтернатива — стимуляция химическими факторами роста.

Однако система имеет ограничения. Движение пальцев возможно только в одном направлении — обратное возвращение обеспечивается плавучестью жидкой среды. Для двустороннего контроля Такэути предложил добавить эластичные материалы или вторую группу мышц-антагонистов, как в человеческой кисти. Кроме того, работоспособность руки пока что зависит от жидкости, питающей ткани. «Для перехода в сухую среду потребуются искусственные системы доставки питательных веществ», — признал учёный.

Ещё одной проблемой стала усталость мышц: после 10 минут активной работы сила сокращения MuMuTAs снижалась, восстанавливаясь лишь после часового «отдыха» в питательной среде.

Несмотря на текущие ограничения, разработка открывает путь к созданию сложных био-гибридных систем — от протезов нового поколения до роботов с «живыми» мышцами. Успех метода MuMuTAs подтверждает, что даже без искусственной сосудистой сети можно преодолеть некроз. Следующим шагом станет интеграция таких мышц в автономные конструкции, способные функционировать вне лабораторных условий.

Подробнее