Biohibridne ruke sastavljene od tkiva i mehanike

Tim znanstvenika sa Sveučilišta u Tokiju (UTokyo) i Sveučilišta Waseda u Japanu izradio je biohibridnu ruku koja može pomicati predmete.

Istraživači su upotrijebili tanke niti laboratorijski uzgojenog ljudskog mišićnog tkiva zamotane u rolice nalik na sushi kako bi prstima dali dovoljno snage za kontrakciju.

Ovi višestruki pokretači mišićnog tkiva pod nazivom MuMuTA, koje su stvorili istraživači, veliki su razvoj prema izgradnji većih biohibridnih udova. Iako su trenutačno ograničeni na laboratorijsko okruženje, MuMuTA imaju potencijal unaprijediti buduću biohibridnu protetiku, pomoći u testiranju lijekova na mišićnom tkivu i proširiti potencijal biohibridne robotike za oponašanje oblika iz stvarnog života.

Šaka je napravljena od 3D printane plastične baze, s tetivama ljudskog mišićnog tkiva koje pokreću prste. Do sada su biohibridni uređaji obično bili mnogo manjeg opsega (dugi oko 1 centimetar) ili ograničeni na jednostavnije pokrete ili pokrete s jednim zglobom. Nasuprot tome, biohibridna šaka UTokya duga je 18 cm i ima višezglobne prste, koji se mogu pomicati pojedinačno za gestikulacije ili u kombinaciji za manipuliranje predmetima.

Debelo mišićno tkivo koje je potrebno za pomicanje većih udova teško je uzgojiti u laboratoriju jer pati od nekroze, odnosno nedovoljno hranjivih tvari dospije u središte mišića, što rezultira gubitkom tkiva.

Međutim, korištenjem višestrukih tankih mišićnih tkiva spojenih zajedno da djeluju kao jedan veći mišić, tim je uspio stvoriti tetive s dovoljnom snagom.

MuMuTA se stimuliraju pomoću električne struje, koja se isporučuje kroz vodootporne kabele. Kako bi testirali sposobnost šake, tim je manipulirao prstima kako bi oblikovao pokret škarama skupljajući mali prst, prstenjak i palac. Također su koristili prste za hvatanje i pomicanje vrha pipete. Ovo je pokazalo sposobnost ruke da oponaša niz radnji, budući da se višezglobni prsti mogu savijati zasebno ili u isto vrijeme, što je impresivan pothvat.

MuMuTA se sastoji od više tankih mišićnih tkiva, od kojih je svako dovoljno vitko da spriječi centralnu nekrozu, tj. gubitak tkiva. Sposobnost MuMuTA-e da se kontrahira poboljšana je visokom strukturom vlakana u tkivima, koja su uzgojena na ravnom mjestu. Smatanje ove strukture nalik na list u trodimenzionalni oblik smanjuje varijacije među pojedinačnim mišićnim tkivima, omogućujući vrhunsku kontraktilnost.

Međutim, korištenje pravog mišićnog tkiva dolazi s nekim nedostacima, kao što svatko tko je bio u teretani možda zna. “Iako nije potpuno iznenađujuće, bilo je zanimljivo da se kontraktilna snaga tkiva smanjila i pokazala znakove umora nakon 10 minuta električne stimulacije, ali se oporavila unutar samo jednog sata odmora. Promatranje takvog odgovora oporavka, sličnog odgovoru živih tkiva, u projektiranim mišićnim tkivima bio je izvanredan i fascinantan rezultat,” rekao je profesor Shoji Takeuchi sa Sveučilišta u Tokiju. 

Trenutačno ruka mora biti obješena u tekućini tako da "sidra" ili veze, koje povezuju mišiće sa šakom, mogu plutati bez trenja, dopuštajući prstima da se glatko pomiču. Ipak, tim vjeruje da će daljnjim razvojem biti moguće izgraditi ruku koja se slobodno kreće.

Još jedan daljnji izazov sa sadašnjim dizajnom je taj što se prsti ne mogu namjerno vratiti u ravan početni položaj, već se to čini lebdenjem na mjestu. Dodavanje elastičnog materijala kako bi se vratili u položaj ili više MuMuTA na stražnjoj strani prstiju koji se skupljaju u suprotnom smjeru, omogućilo bi veću kontrolu nad pokretima prstiju.

Nakon što se riješe ove osnovne prepreke, ova bi se tehnologija mogla koristiti u naprednoj protetici, a također bi mogla poslužiti kao alat za razumijevanje kako mišićna tkiva funkcioniraju u biološkim sustavima, za testiranje kirurških postupaka ili lijekova koji ciljaju mišićna tkiva.