Cap Stamp 3D Memungkinkan Otot Sintetis untuk Robotika Lunak

Sebuah tim peneliti MIT baru-baru ini menciptakan aktuator otot sintetis pertama yang dapat menekuk dalam berbagai arah. Studi ini membuka pintu bagi robot lunak yang lebih mampu dan terobosan medis canggih lainnya. Berikut cara tim memanfaatkan metode pencetakan 3D baru, bersama dengan stempel khusus, untuk menumbuhkan otot sintetis di laboratorium yang dapat meniru yang asli.

Memahami Arsitektur dan Gerakan Otot

Untuk memahami mengapa Anda tidak dapat sekadar membuat motor yang melakukan apa yang dilakukan otot, pertama-tama Anda harus melihat bagaimana tubuh Anda beroperasi. Saat Anda menggerakkan tangan, ada jauh lebih banyak yang terjadi selain otot Anda menarik dalam satu arah. Banyak serat otot rangka multidireksional membentuk pola rumit dan dipasang pada sudut tertentu untuk menghasilkan gerakan tepat tubuh manusia.

Alam sangat efisien, dan selama miliaran tahun evolusi, ia memiliki waktu untuk memperbaiki sebagian besar kesalahan dalam bentuk dan fungsi. Itulah mengapa insinyur sering mencari inspirasi dari alam untuk desain mereka. Baru-baru ini, para ilmuwan telah meneliti pertumbuhan serat otot rangka.

Aktuator Otot Biohybrid dan Keterbatasannya

Serat-serat ini berkontraksi ketika muatan listrik diterapkan. Ketika muatan dihilangkan, otot-otot relaks, memungkinkan operasi yang dapat diulang. Aktuator biohybrid lunak ini memberikan efisiensi energi, adaptabilitas, dan dapat disesuaikan untuk hampir semua faktor bentuk. Namun, mereka tidak ideal karena beberapa alasan.

Tantangan dengan Metode Fabrikasi Otot Sintetis yang Ada

Desain aktuator otot sintetis saat ini memiliki rentang gerak yang terbatas. Dalam kebanyakan aplikasi, otot sintetis dihubungkan antara dua titik. Pengaturan ini hanya memungkinkan otot menarik atau relaks sepanjang titik pemasangan.

Selain itu, sangat mahal untuk menumbuhkan aktuator sintetis. Proses saat ini untuk menciptakan fitur topografi mikroskala dalam hidrogel matriks ekstraseluler memerlukan peralatan khusus. Selain itu, proses ini melibatkan beberapa langkah yang mengharuskan perusahaan mempekerjakan ahli di bidang mikro-fabrikasi.

Memperkenalkan STAMP: Metode Fabrikasi Baru untuk Aktuator Otot Sintetis

Peneliti MIT ingin menunjukkan metode yang lebih baik untuk menciptakan otot sintetis melalui metode stamping baru. Studi “Memanfaatkan mikrotopografi untuk memodelkan aktuator otot multi-orientasi“¹ dipublikasikan dalam jurnal Biomaterials Science.

Studi ini menyoroti bagaimana tim berhasil memanfaatkan pencetakan 3D canggih untuk menciptakan metode yang lebih efisien dan terjangkau dalam menumbuhkan jaringan buatan yang meniru kompleksitas arsitektur jaringan nyata seperti otot iris Anda.

Metodologi STAMP dan Pendekatan Pencetakan 3D

Sebagai bagian dari penelitian mereka, para ilmuwan menciptakan metode fabrikasi STAMP (simple templating of actuators via micro-topographical patterning) untuk memberikan fabrikasi yang dapat diandalkan. Secara khusus, stempel dirancang agar cocok dengan piring 24-well standar yang tersedia. Tim kemudian memanfaatkan fasilitas pencetakan 3D berpresisi tinggi di MIT.nano untuk membuat mikro-groove yang teratur secara vertikal (90°) pada cetakan hidrogel.

Matras Hidrogel

Matras hidrogel khusus yang dirancang untuk mendorong pertumbuhan sel telah dibuat. Hidrogel merupakan bahan lunak, namun dapat diatur dengan alur atau desain lain untuk memodifikasi pertumbuhan sel. Secara khusus, desain matras hidrogel ini sangat mirip dengan pekerjaan sebelumnya dari peneliti, di mana bahan serupa digunakan untuk menumbuhkan otot sintetis dan memperkuatnya.

Sumber – MIT

Lapisan Anti-Lengket

Seperti seorang pembuat roti berpengalaman, para insinyur menerapkan lapisan anti-lengket pada stempel mereka. Lapisan ini terbuat dari protein yang mendukung pemodelan mikro-topografi dengan fidelitas tinggi tanpa robek. Menariknya, tim mensterilkan bantalan stamping menggunakan sistem UV sebelum merendam stempel selama satu jam dalam larutan albumin serum sapi 1% sebagai penghalang cetakan.

Pemodelan Komputasional Aktuator Otot Multi-Orientasi

Inti dari percobaan adalah simulasi komputer khusus yang dibangun oleh tim. Tim membuat model tersebut untuk memungkinkan mereka meningkatkan upaya pengujian dan percobaan. Simulasi canggih ini memungkinkan tim menyelidiki bagaimana pola mikro-topografi memengaruhi efisiensi penyelarasan otot.

Mereka juga meluangkan waktu untuk meneliti detail penting seperti morfologi serat dan fungsi kontraktil pada myoblast tikus dan manusia. Dari situ, tim mengeksplorasi bagaimana ukuran sel dan ukuran alur memengaruhi penyelarasan otot serta desain keseluruhan. Secara mengesankan, hasil pengujian cocok dengan hasil simulasi komputer, menyoroti kegunaan dan akurasinya.

Menguji Aktuator Otot Multi-Arah yang Terinspirasi dari Iris

Untuk menguji teori mereka, para insinyur memutuskan mengambil inspirasi dari otot kompleks di mata Anda. Otot iris Anda memungkinkan penyesuaian dalam berbagai arah untuk menerima jumlah cahaya yang tepat. Otot-otot ini dapat bergerak secara konsentrik dan radial, tergantung pada apa yang Anda fokuskan dan kondisi lingkungan lainnya.

Para insinyur merancang cetakan yang memanfaatkan serat otot melingkar yang diatur secara konsentrik dan ditempatkan di atas serat yang diposisikan secara radial. Pada mata Anda, desain kompleks ini memungkinkan fokus halus dan penyesuaian secara real-time.

Perlu dicatat, dalam percobaan ini, iris buatan difabrikasi dengan sel otot rangka sukarela, yang berbeda dari sel otot polos tak sukarela yang ditemukan dalam tubuh kita. Menariknya, para insinyur mencatat bahwa baik myoblast tikus maupun manusia yang ditaburi serat otot rangka optogenetik yang tumbuh pada substrat iris yang di-Stamp mulai bergabung menjadi serat dalam waktu 24 jam.

Biarlah Ada Cahaya

Serat otot dapat sepenuhnya matang menjadi replika iris yang sesuai, menunjukkan bagaimana proses baru ini dapat menciptakan desain kompleks bila diperlukan. Tidak seperti aktuator otot biorobotik sebelumnya, versi baru ini dimodifikasi secara genetik untuk menyesuaikan ketika terpapar cahaya.

Pengaturan ini memungkinkan insinyur menentukan otot mana yang akan diaktifkan secara tepat menggunakan sinar cahaya. Pilihan untuk menggunakan wilayah serat otot konsentrik dan radial yang terpisah secara spasial memungkinkan insinyur mengontrol penyempitan pupil di wilayah konsentrik secara terpisah juga.

Hasil: Aktuasi Multi-Arah dan Validasi

Para insinyur melakukan beberapa percobaan untuk menampilkan kreasi mereka dan bagaimana hal itu mendorong sel otot tumbuh serta bergabung menjadi serat. Otot sintetis berkontraksi dalam berbagai arah ketika distimulasi oleh sumber cahaya. Perlu dicatat, pengujian memungkinkan tim menjadi yang pertama menunjukkan robot bertenaga otot rangka yang menghasilkan gaya multi-arah.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa tim berhasil mereplikasi tata letak dan kemampuan iris. Hasil ini menunjukkan bagaimana metode STAMP memungkinkan perancangan, pembuatan, dan pengujian aktuator lunak otot sintetis multi-arah dengan lebih efisien.

Keuntungan Metode STAMP untuk Rekayasa Otot

Manfaat studi otot sintetis akan dirasakan di berbagai industri. Pertama, metode baru ini jauh lebih mudah diakses dibandingkan strategi mikro-fabrikasi sebelumnya. Para insinyur mencatat bahwa siapa pun dapat menggunakan printer 3D meja yang tersedia secara komersial untuk mencapai hasil serupa.

Metode Satu Langkah

Metode fabrikasi yang ditingkatkan memungkinkan insinyur memodelkan mikrotopografi dengan berbagai ukuran dan konfigurasi pada permukaan hidrogel dalam satu langkah. Selain itu, STAMP dapat dibersihkan menggunakan bak ultrasonik dan digunakan kembali berkali-kali, menambah efektivitas biaya.

Presisi

Sistem ini memungkinkan insinyur menumbuhkan serat otot rangka tikus dan manusia tanpa memengaruhi kematangan atau fungsinya secara negatif. Perlu dicatat, tim menyatakan bahwa mereka dapat menumbuhkan otot dalam hampir semua pola untuk mencapai gerakan kompleks.

Ber­kelanjutan

Manfaat utama lain dari jenis aktuator ini adalah potensinya untuk dapat terurai secara hayati, seperti halnya tubuh manusia. Pendekatan ini akan membantu memastikan orang menghindari situasi seperti ponsel di mana tempat pembuangan akhir zaman dipenuhi dengan robot awal yang usang karena teknologi yang berkembang.

Tim Peneliti dan Dukungan Pendanaan

Insinyur MIT, dipimpin oleh Ritu Raman, menulis studi ini. Makalah ini ditulis bersama oleh Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa, dan Pavankumar Umashankar. Dukungan tambahan untuk proyek ini diberikan oleh Roi Habba, Oren Tchaicheeyan, dan Ayelet.

Hibah keuangan untuk proyek ini berasal dari National Science Foundation AS, Office of Naval Research AS, Army Research Office AS, dan National Institutes of Health AS.

Aplikasi dan Prospek Masa Depan untuk Aktuator Berbasis STAMP

Ada banyak aplikasi untuk aktuator otot bio-rekayasa, mulai dari kedokteran hingga robotika. Metode STAMP mengurangi biaya dan membuka pintu untuk produksi skala besar. Oleh karena itu, Anda dapat mengharapkan lebih banyak berita tentang robot bertenaga otot sintetis dalam beberapa bulan mendatang.

Robotika Lunak

Robotika lunak adalah bidang yang berkembang dengan kemungkinan tak terbatas. Robot-robot ini berbeda dari rekan-rekannya karena tidak menggunakan struktur kaku. Oleh karena itu, mereka sangat cocok untuk tugas yang memerlukan desain tidak konvensional dan kemampuan mengakses tempat yang rumit dan sulit dijangkau. Saat ini, insinyur sedang merancang ikan yang beroperasi serupa dengan rekan alami mereka alih-alih menggunakan baling-baling untuk propulsi.

Pengobatan Medis

Bidang medis akan sangat diuntungkan oleh teknologi ini. Insinyur memprediksi teknologi ini akan digunakan untuk menumbuhkan jenis jaringan biologis lain, seperti neuron dan sel jantung. Alternatif yang ditumbuhkan di laboratorium ini dapat digunakan untuk mengobati penderita gangguan neuromuskular dan lainnya.

Selain itu, teknik ini dapat membantu meningkatkan kemampuan peneliti dalam mereplikasi jaringan manusia untuk pengujian dan pengembangan obat. Metode saat ini untuk menumbuhkan sel untuk pengujian pengobatan obat lambat dan memerlukan banyak waktu. Pendekatan ini memungkinkan fabrikasi yang cepat dan berbiaya rendah.

Perkiraan Waktu Adopsi

Anda dapat mengharapkan teknologi ini mulai muncul secara komersial dalam 5-10 tahun ke depan, tergantung pada kondisi pasar. Saat ini, ada dorongan kuat untuk membuat robot lebih mampu dan efisien. Otot sintetis memungkinkan hal ini dan dapat dirancang untuk menguat dengan penggunaan berulang, seperti otot Anda.

Terobosan terbaru ini membuka pintu bagi insinyur di perusahaan robotika terkemuka untuk bereksperimen membuat desain yang lebih ringan dan efisien. Teknologi ini dapat menggantikan sebagian besar aktuator, menyediakan alternatif yang dapat diandalkan yang dapat meningkatkan kinerja dengan penggunaan lebih banyak.

Robotika Disruptif dalam Aksi: Perusahaan Publik yang Perlu Diperhatikan

Meskipun aktuator biohybrid tim MIT masih berada pada fase penelitian, implikasi potensialnya merambat ke berbagai industri — khususnya robotika lunak, sistem otonom, dan rekayasa biomedis. Investor yang tertarik memanfaatkan kemajuan dalam desain dan fungsi robotik dapat mempertimbangkan perusahaan mapan yang berinovasi di bidang terkait. Salah satu pemain tersebut adalah Oceaneering International, Inc., pemimpin yang diakui dalam robotika laut dalam dan jarak jauh.

Oceaneering International Inc

Oceaneering International, Inc. (OII ) memasuki pasar pada tahun 1964, dengan tujuan menyediakan peralatan selam laut dalam kelas atas dan robot untuk klien komersial. Perusahaan ini berbasis di Houston, Texas, dan dianggap sebagai penyedia terkemuka kendaraan laut, ruang, dan lingkungan lainnya yang tidak berawak.

Sejak peluncurannya, Oceaneering International, Inc. telah mengalami pertumbuhan pesat. Saat ini, perusahaan menyediakan beragam layanan yang mencakup drone, perangkat keras subsea, peralatan ladang minyak, sistem perairan dalam, dan banyak lagi. Perusahaan saat ini mempekerjakan 10.400 orang dan menjadi salah satu nama paling dikenal di sektornya.

Mereka yang mencari eksposur ke sektor robotika sebaiknya melakukan riset lebih lanjut tentang Oceaneering International, Inc. Sahamnya, OII, terus naik seiring dengan pendapatan tahunan perusahaan. Perusahaan saat ini memiliki kapitalisasi pasar sebesar $2,25 miliar, yang diperkirakan akan meningkat seiring permintaan drone laut dalam yang meningkat.

Seiring teknologi otot sintetis matang, perusahaan seperti Oceaneering dapat memperoleh manfaat dari inovasi lintas bidang dalam kinerja aktuator dan miniaturisasi—menjadikannya saham yang patut dipantau dalam ekosistem robotika yang lebih luas.

Berita Terbaru tentang Oceaneering International

Hambatan yang Harus Dihadapi untuk Adopsi

Ada banyak hambatan yang kini harus difokuskan oleh para insinyur. Mereka akan berupaya meningkatkan proses manufaktur dan bahkan menyiapkan templat untuk membantu peneliti lain meluncurkan proyek mereka lebih cepat.

Akan ada juga perlambatan regulasi terkait integrasi teknologi ini ke sektor perawatan kesehatan. Pemeriksaan dan pengujian ini akan memakan waktu lebih lama dibandingkan penggunaan robotik komersial tetapi diperlukan untuk memastikan produk memiliki keamanan kelas atas.

Otot Sintetis Dapat Menggerakkan E-Bike Masa Depan dan Lebih

Ketika Anda meninjau kemampuan otot sintetis, mudah melihat masa depan di mana aktuator ini menjadi lebih populer dibandingkan rekan berbasis mekanik mereka. Mereka menggunakan lebih sedikit energi, dapat dibuat lebih mudah, dan lebih ringan. Oleh karena itu, insinyur MIT pantas mendapat penghormatan atas upaya mereka yang dapat merevolusi robotika ke depan.

Pelajari proyek robotika keren lainnya sekarang.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Rossy, T., Schwendeman, L., Kohli, S., Bawa, M., Umashankar, P., Habba, R., Tchaicheeyan, O., Lesman, A., & Raman, R. (2025). Memanfaatkan mikrotopografi untuk memodelkan aktuator otot multi-orientasi. Biomaterials Science. https://doi.org/10.1039/d4bm01017e}