3D‑printet Stempel Muliggjør Syntetiske Muskler for Myke Robotikk

A team of MIT‑forskere har nylig laget den første syntetiske muskelaktuatoren som kan bøye seg i flere retninger. Denne studien åpner døren for mer kapable myke roboter og andre avanserte medisinske gjennombrudd. Slik brukte teamet en ny 3D‑utskriftmetode, sammen med spesiallagde stempler, for å dyrke syntetiske muskler i laboratoriet som kan etterligne den ekte.

Forståelse av muskelarkitektur og bevegelse

For å forstå hvorfor du ikke bare kan lage en motor som gjør det en muskel gjør, må du først se på hvordan kroppen din fungerer. Når du beveger hånden, skjer det mye mer enn bare at musklene trekker i én retning. Mange multidireksjonale skjelettmuskel‑fibere danner intrikate mønstre og er montert i vinkler for å produsere nøyaktige bevegelser i menneskekroppen.

Nature is incredibly efficient, and over billions of years of evolution, it has had the time to correct most errors in form and operations. That’s why engineers often look to nature to find inspiration for their designs. Recently, scientists have delved into growing skeletal muscle fibers.

Biohybride muskelaktuatorer og deres begrensninger

Fibrene trekker seg sammen når de tilføres elektrisk spenning. Når spenningen fjernes, slapper musklene av, slik at bevegelsen kan gjentas. Disse myke biohybride aktuatorene kan være energieffektive og tilpasningsdyktige og utformes for mange forskjellige formfaktorer. De har likevel flere begrensninger.

Utfordringer med eksisterende fremstillingsmetoder for syntetiske muskler

Den nåværende utformingen av syntetiske muskelaktuatorer har et begrenset bevegelsesområde. I de fleste anvendelser er den syntetiske muskelen koblet mellom to punkter. Denne ordningen tillater kun at muskelen trekker eller slapper av langs de monterte punktene.

I tillegg er det utrolig kostbart å dyrke syntetiske aktuatorer. Den nåværende prosessen med å lage mikroskala topografiske strukturer i ekstracellulære matriks‑hydrogel krever spesialutstyr. Det er også en flertrinnsprosess som krever at selskaper ansetter eksperter innen mikro‑fremstilling.

Introduksjon av STAMP: En ny fremstillingsmetode for syntetiske muskelaktuatorer

MIT‑forskerne ønsket å demonstrere en bedre metode for å lage syntetiske muskler ved hjelp av en ny stemplingsmetode. Studien «Leveraging microtopography to pattern multi-oriented muscle actuators»¹ ble publisert i tidsskriftet Biomaterials Science.

Den viser hvordan teamet klarte å bruke avansert 3D‑utskrift for å skape en mer effektiv og rimelig metode for å dyrke kunstige vev som etterligner den arkitektoniske kompleksiteten til ekte vev, som iris‑musklene dine.

STAMP‑metodikk og 3D‑utskriftsmetode

Som en del av forskningen utviklet forskerne STAMP‑metoden (simple templating of actuators via micro‑topographical patterning) for pålitelig fremstilling. Merk at stemplet ble designet for å passe inn i standard 24‑brønnsplater. Teamet brukte deretter de høypresisjons 3D‑utskriftsfasilitetene i MIT.nano for å lage vertikalt justerte (90°) mikrogroper i hydrogel‑former.

Hydrogel‑matte

En spesialbygd hydrogel‑matte designet for å fremme cellevekst ble laget. Hydrogel er et mykt materiale, men kan utformes med groper eller andre mønstre for å påvirke celleveksten. Merk at utformingen av hydrogel‑matten ligner sterkt på forskerens tidligere arbeid der et lignende materiale ble brukt til å dyrke en syntetisk muskel og styrke den.

Kilde – MIT

Anti‑klissett belegg

Akkurat som en erfaren baker påførte ingeniørene et non‑stick‑belegg på stempelet. Dette belegget besto av et protein som støttet høy‑presisjonsmønstre av mikro‑topografiske signaler uten å rive. Interessant nok sterilisert teamet stemplingspaden med UV‑systemer før de la stempelet i en time i en 1 % bovint serumalbumin‑løsning som mold‑inhibitor.

Datamodellering av multi‑orienterte muskelaktuatorer

I kjernen av eksperimenteringen stod teamets spesialbygde datasimulering. Teamet laget modellen for å kunne forbedre sine test‑ og eksperimentforsøk. Denne avanserte simuleringen gjorde det mulig for teamet å undersøke hvordan mikro‑topografisk mønstre påvirket muskel‑justeringseffektiviteten.

De klarte også å bruke tid på å undersøke viktige detaljer som fiber‑morfologi og kontraktile funksjon i både muse‑ og menneskelige myoblaster. Deretter utforsket teamet hvordan celle‑størrelse og grovedybde påvirket muskeljustering og overordnet design. Imponerende nok samsvarte testresultatene med datasimuleringsresultatene, noe som understreker nytten og nøyaktigheten.

Testing av den iris‑inspirerte multidireksjonale muskelaktuatoren

For å teste teorien deres bestemte ingeniørene seg for å hente inspirasjon fra en kompleks muskel i øyet ditt. Iris‑musklene gjør det mulig å justere i flere retninger for å slippe inn riktig mengde lys. Disse musklene kan bevege seg konsentrisk og radialt, avhengig av hva du fokuserer på og andre miljøforhold.

Ingeniørene designet en form som utnyttet konsentrisk arrangerte sirkulære muskel‑fibere som lå på radialt plasserte fibere. I øyet ditt gjør dette komplekse designet mulig finjustering og justeringer i sanntid.

Merk at i dette eksperimentet er den kunstige irisen laget med frivillige skjelettmuskelceller, som skiller seg fra de ufrivillige glattmuskelcellene i kroppen vår. Interessant nok bemerket ingeniørene at både muse‑ og menneskelige myoblaster som ble sådd på optogenetiske skjelettmuskel‑fibere dyrket på et STAMP‑behandlet iris‑substrat begynte å fusjonere til fibere innen 24 timer.

La det bli lys

Muskelfibrene klarte å modne fullstendig til en passende kopi av irisen, og demonstrerte hvordan den nye prosessen kan lage komplekse design ved behov. I motsetning til tidligere bio‑robotiske muskelaktuatorer, ble denne nye versjonen genetisk modifisert til å justere seg når den eksponeres for lys.

Dette oppsettet gjør det mulig for ingeniører å presist bestemme hvilken muskel som skal aktiveres ved hjelp av lysstråler. Valget om å bruke romlig adskilte områder av konsentriske og radiale muskelfibere tillot også ingeniørene å kontrollere pupillens sammentrekning i de konsentriske områdene separat.

Resultater: Multiretningsaktivering og validering

Ingeniørene gjennomførte flere eksperimenter for å demonstrere sin oppfinnelse og hvordan den oppmuntrer muskelceller til å vokse og fusjonere til fibere. Den syntetiske muskelen trakk seg sammen i flere retninger når den ble stimulert av lyskilder. Merk at testingen gjorde det mulig for teamet å bli de første som demonstrerte en skjelettmuskel‑drevet robot som genererer multidireksjonell kraft.

Testresultatene viste at teamet med hell reproduserte iris‑oppsettet og -funksjonene. Disse resultatene viser hvordan STAMP‑metoden muliggjør design, produksjon og testing av multidireksjonale syntetiske muskel‑myke aktuatorer med større effektivitet.

Fordeler med STAMP‑metoden for muskelteknikk

Fordelene med studien av syntetiske muskler vil merkes på tvers av flere industrier. For det første er den nye metoden langt mer tilgjengelig enn tidligere mikro‑fremstillingsstrategier. Ingeniørene bemerket at hvem som helst kan bruke en kommersielt tilgjengelig bord‑stående 3D‑printer for å oppnå lignende resultater.

Én‑trinnsmetode

Den forbedrede fremstillingsmetoden gjorde det mulig for ingeniører å mønstre mikro‑topografi av ulike størrelser og konfigurasjoner på overflaten av hydrogel i ett enkelt trinn. I tillegg kan STAMP‑stemplet rengjøres med ultralydbad og brukes flere ganger, noe som øker kostnadseffektiviteten.

Presisjon

Systemet gjør det mulig for ingeniører å dyrke mus- og menneskelige skjelettmuskel‑fibere uten å påvirke modning eller funksjon negativt. Merk at teamet uttalte at de kunne dyrke muskler i nesten ethvert mønster for å utføre komplekse bevegelser.

Bærekraftig

En annen stor fordel med denne typen aktuator er at den har potensial til å være biologisk nedbrytbar, akkurat som mennesker. Denne tilnærmingen vil bidra til å unngå en situasjon hvor fremtidige søppelfyllinger fylles med utdaterte tidlige roboter som ble foreldet etter hvert som teknologien forbedret seg.

Forskningsgruppe og finansieringsstøtte

MIT‑ingeniører, ledet av Ritu Raman, forfattet studien. Artikkelen ble medforfattet av Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa og Pavankumar Umashankar. Ytterligere støtte til prosjektet ble gitt av Roi Habba, Oren Tchaicheeyan og Ayelet.

Finansieringsmidler til prosjektet kom fra USAs National Science Foundation, USAs Office of Naval Research, USAs Army Research Office og USAs National Institutes of Health.

Applikasjoner og fremtidsperspektiv for STAMP‑baserte aktuatorer

Det finnes mange bruksområder for bio‑ingeniørte muskelaktuatorer, fra medisin til robotikk. STAMP‑metoden reduserer kostnader og åpner døren for storskalaproduksjon. Derfor kan du forvente å høre mye mer om syntetisk muskel‑drevne roboter i de kommende månedene.

Myk robotikk

Myk robotikk er et fremvoksende felt med uendelige muligheter. Disse robotene skiller seg fra sine motparter ved at de ikke bruker stive strukturer. Derfor er de godt egnet for oppgaver som krever et ikke‑konformt design og evnen til å nå inn i intrikate og vanskelig tilgjengelige områder. Allerede nå ser ingeniører på å designe en fisk som opererer på samme måte som sine naturlige motparter i stedet for å bruke propeller til fremdrift.

Medisinske behandlinger

Det medisinske feltet vil ha stor nytte av denne teknologien. Ingeniører spår at teknologien vil bli brukt til å dyrke andre typer biologisk vev, som nevroner og hjerteceller. Disse laboratoriedyrkede alternativene kan brukes til å behandle personer som lider av nevromuskulære lidelser og mer.

I tillegg kan teknikken bidra til å forbedre forskernes evne til å replikere menneskelig vev for testing og legemiddelforskning. De nåværende metodene for å dyrke celler til legemiddelforsøk er trege og krever mye tid. Denne tilnærmingen gjør det mulig med rask og lavkostnadsfremstilling.

Estimert tidslinje for adopsjon

Du kan forvente at denne teknologien begynner å dukke opp kommersielt i løpet av de neste 5–10 årene, avhengig av markedsforholdene. For øyeblikket er det et sterkt press for å gjøre roboter mer kapable og effektive. Syntetiske muskler muliggjør dette og kan designes for å bli sterkere ved gjentatt bruk, akkurat som dine egne muskler.

Dette siste gjennombruddet åpner døren for ingeniører i ledende robotikkselskaper til å eksperimentere med lettere, mer effektive design. Teknologien kan erstatte de fleste aktuatorer, og gir et pålitelig alternativ som kan forbedre ytelsen med økt bruk.

Disruptiv robotikk i aksjon: Offentlige selskaper å følge

Selv om MIT‑teamets biohybride aktuator fortsatt er i forskningsfasen, har dens potensielle implikasjoner ringvirkninger på tvers av industrier – spesielt myk robotikk, autonome systemer og biomedisinsk ingeniørkunst. Investorer som ønsker å kapitalisere på fremskritt innen robotdesign og -funksjon kan vurdere etablerte selskaper som innoverer i beslektede områder. En slik aktør er Oceaneering International, Inc., en anerkjent leder innen dypvanns‑ og fjernrobotikk.

Oceaneering International Inc

Oceaneering International, Inc. (OII ) gikk inn i markedet i 1964, med mål om å levere høykvalitets dypvannsdykkingsutstyr og roboter til kommersielle kunder. Selskapet har hovedkontor i Houston, Texas, og anses som en ledende leverandør av ubemannede marine-, rom- og andre miljøkjøretøy.

Oceaneering International, Inc. har siden oppstarten opplevd enorm vekst. I dag tilbyr selskapet et bredt spekter av tjenester som dekker droner, undersjøisk maskinvare, oljeutstyr, dypvannssystemer og mye mer. Selskapet har for tiden 10 400 ansatte og er et av de mest gjenkjennelige navnene i sin sektor.

De som ønsker eksponering mot robotikksektoren bør foreta ytterligere undersøkelser av Oceaneering International, Inc. Aksjen deres, OII, fortsetter å stige i takt med selskapets årlige inntekter. Firmaet har for tiden en markedsverdi på 2,25 milliarder dollar, og analytikere spår at den vil vokse etter hvert som etterspørselen etter dypvanns‑droner øker.

Etter hvert som syntetiske muskelteknologier modnes, kan selskaper som Oceaneering dra nytte av kryss‑innovasjoner innen aktuator‑ytelse og miniaturisering – noe som gjør dem til en aksje å følge i det bredere robotikkøkosystemet.

Siste om Oceaneering International

Hindringer som må overvinnes for adopsjon

Det finnes mange hindringer som ingeniørene nå må fokusere på. De vil arbeide med å forbedre produksjonsprosessen og til og med etablere maler for å hjelpe andre forskere med å få prosjektene sine i gang raskere.

Det vil også være regulatoriske forsinkelser knyttet til integrering av teknologien i helsesektoren. Disse kontrollene og testene vil ta mer tid enn kommersielle robotbruk, men er nødvendige for å sikre at produktene har topp sikkerhet.

Syntetiske muskler kan drive morgendagens el‑sykler og mer

Når du ser på mulighetene til syntetiske muskler, er det lett å se en fremtid hvor disse aktuatorene blir mer populære enn deres mekanisk baserte motparter. De bruker mindre energi, kan produseres enklere og er lettere. Derfor fortjener MIT‑ingeniørene en hyllest for deres innsats som kan revolusjonere robotikk fremover.

Lær om andre kule robotikkprosjekter nå.

Studier referert:

^{1. Rossy, T., Schwendeman, L., Kohli, S., Bawa, M., Umashankar, P., Habba, R., Tchaicheeyan, O., Lesman, A., & Raman, R. (2025). Leveraging microtopography to pattern multi-oriented muscle actuators. Biomaterials Science. https://doi.org/10.1039/d4bm01017e}