Während ein halber Mensch, ein halber Roboter wie der Inbegriff von Science-Fiction erscheint, ist es ein Realität entwickeln an ein Forscherteam der Universität Tokio.

Das Team hat eine Methode entwickelt, mit der lebende Muskeln erfolgreich wachsen und in ein Roboterskelett integriert werden können, das über eine Woche funktionieren kann.

Das Ergebnis ist eine menschenähnliche Maschine, die als Biohybrid-Roboter bekannt ist und Aufgaben wie das Aufsetzen eines Rings auf den Finger und das Aufheben von Objekten ausführen kann.  

Die Studie ist online in veröffentlicht Wissenschaft Robotics.

Biohybrid-Roboter

Das neue Gebiet der Biohybrid-Robotik konzentriert sich darauf, lebendes organisches Gewebe in Maschinen einzubauen und nicht nur Metall und Kunststoff.

Aufgrund seiner Funktion und Mobilität wurde der Muskel als Schlüsselkomponente für Biohybridroboter angesehen, aber Konservierungsprobleme haben es den Forschern erschwert, mit ihm zu arbeiten. Bisherige Bemühungen hatten mit der Kraft zu kämpfen, die ein Muskel ausüben kann, bevor er zu schrumpfen beginnt und seine Funktion verliert.

Das Team der Universität Tokio hat jedoch einen Weg gefunden, dieses Problem zu umgehen.

Indem die Forscher Muskeln von Grund auf aufbauen, anstatt sich auf das Extrahieren und Verwenden bereits gebildeter Muskeln aus dem Körper zu verlassen, haben sie eine längere Konservierungsrate erreicht.

Außerdem bauten sie die Muskeln als antagonistische Paare in den Roboter ein, was bedeutet, dass sich ein Muskel zusammenzieht, während sich der andere entspannt. Auf diese Weise ahmt der Biohybrid-Roboter die Funktionen eines Menschen nach.

So funktioniert's

Um den Roboter zu bauen, konstruierten die Forscher zunächst ein Skelett, das ein drehbares Gelenk, Anker, an denen sich die Muskeln festsetzen könnten, und Elektroden umfasst, die den Anreiz für die Muskelkontraktion geben.

Dann machten sie sich daran, den Muskel aufzubauen.

Zu diesem Zweck verwendeten sie Hydrogelfolien mit Muskelvorläuferzellen, die als Myoblasten bezeichnet wurden, sowie Löcher, um die Folien am Roboter zu befestigen, und Streifen, um sicherzustellen, dass sich die Muskelfasern in einer ausgerichteten Weise bilden.

"Um Muskelgewebe auf dem Skelett des Roboters aufzubauen, haben wir die mit Myoblasten beladenen Hydrogel-Schichten auf dem Skelett zusammengesetzt und kultiviert", sagte er Yuya Morimoto, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Hauptautor der Studie. „Wir haben gewusst, dass die Manipulation von Muskelgewebe in Kulturmedium schwierig ist. Deshalb haben wir die Manipulation der mit Myoblasten beladenen Hydrogelblätter vor der Bildung von Skelettmuskelgewebe geplant.

Sobald die Muskeln aufgebaut waren, verwendeten sie sie erfolgreich als antagonistische Paare im Roboter und arbeiteten die Muskeln wie in einem menschlichen Körper.

„Im Roboter werden die Spannungen eines antagonistischen Paares von Skelettmuskelgeweben ähnlich wie in unserem Körper ausgeglichen. Daher erreichten selektive Kontraktionen des Skelettmuskelgewebes eine starke Rotation des Gelenks und ein Ausgleich ihrer Spannungen verhinderte deren spontanes Schrumpfen, was zu einem Verlust der Muskelkontraktilität führte “, sagte Morimoto.

Roboter testen

Um die Funktionalität des Roboters zu testen, konzentrierten sich die Forscher auf zwei Anwendungen: Ein Roboter nimmt einen Ring auf den Finger und zwei Roboter arbeiten zusammen, um einen quadratischen Rahmen aufzunehmen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Roboter beide Aufgaben gut ausführen konnten und dass sie mit einem 90-Grad Finger-Flexing-Vorsprung die Handlungen eines menschlichen Fingers imitieren konnten.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Roboter mit dieser antagonistischen Anordnung der Muskeln die Handlungen eines menschlichen Fingers nachahmen können", sagte Morimoto in einer Erklärung. "Wenn wir mehr dieser Muskeln zu einem einzigen Gerät kombinieren können, sollten wir in der Lage sein, das komplexe Muskelspiel zu reproduzieren, durch das Hände, Arme und andere Körperteile funktionieren."

Nächster Schritt

Derzeit verwenden die Forscher Elektroden, um die Muskelkontraktionen zu induzieren. Sie glauben jedoch, dass ihre Biohybrid-Roboter in Zukunft noch ähnlicher wie der menschliche Körper funktionieren werden.

„In dieser Studie verwendeten wir elektrische Stimulation, um Muskelkontraktionen auszulösen. Die elektrische Stimulation ist jedoch keine optimale Methode für Muskelgewebe. Ähnlich wie unser Körper werden wir in Zukunft das Skelettmuskelgewebe gemeinsam mit Motoneuronen kultivieren und die Muskelkontraktion durch neuronale Signale steuern “, sagte Morimoto.

Sie sind zuversichtlich, dass ihre Roboter ein physiologisch relevantes Modell für zukünftige wissenschaftliche Studien liefern werden. Mögliche Anwendungen könnten laut Morimoto die Verwendung des Roboters zur Bewertung der Arzneimittelentwicklung und der Toxintests sein.

"Die Technologie wird nützliches Wissen liefern, um fortschrittliche Biohybrid-Roboter für die biologische Untersuchung eines antagonistischen Paares von Skelettmuskeln zu entwickeln", sagte er.