Des chercheurs de l’ETH Zurich ont développé des actionneurs robotiques associant des muscles vivants cultivés en laboratoire et des structures imprimées en 3D. Ces composants biohybrides peuvent sauter, nager, se déplacer et saisir des objets.
Au sein du Soft Robotics Lab dirigé par le professeur Robert Katzschmann, une équipe de l’ETH Zurich travaille sur une approche de la robotique biohybride : utiliser des tissus musculaires vivants comme moteurs de mouvement. Les travaux, publiés dans Nature Communications, reposent sur une conception simultanée des muscles et de leur support artificiel, afin d’amplifier les déformations produites par leurs contractions.
ETH Zurich associe des cellules musculaires de souris à des supports imprimés en 3D
Les chercheurs utilisent des tissus musculaires squelettiques cultivés à partir de cellules de souris. Ces muscles sont intégrés à une structure en hydrogel, un matériau souple et riche en eau capable de se plier et de s’étirer à la manière des tissus biologiques.
La particularité de cette méthode réside dans la conception conjointe du muscle et de son support. Plutôt que de fabriquer séparément les deux éléments, les scientifiques déterminent leur configuration à l’aide d’une simulation informatique.
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Aiste Balciunaite et Mike Y. Michelis, coauteurs principaux de l’étude, ont développé cette approche. Un algorithme recherche les configurations dans lesquelles la contraction musculaire entraîne le déplacement le plus important de l’ensemble du composant.
Les structures sélectionnées sont ensuite fabriquées en laboratoire par xolographie, une technique d’impression 3D utilisant la lumière. Selon les chercheurs de l’ETH Zurich, la fabrication d’un support prend environ une minute. Les résultats expérimentaux servent ensuite à ajuster les propriétés des matériaux et les paramètres de fabrication dans les simulations.
Des mouvements jusqu’à onze fois plus amples que sur les systèmes précédents
Les bioactionneurs obtenus mesurent environ 1,5 centimètre de long, selon l’équipe de l’ETH Zurich. Leur déformation est suffisamment importante pour être observée à l’œil nu, contrairement à certains dispositifs antérieurs dont les mouvements nécessitaient une observation au microscope.
Les chercheurs rapportent une amplitude de mouvement jusqu’à onze fois supérieure à celle de systèmes précédents utilisant une quantité comparable de tissu musculaire. Cette comparaison porte sur l’amplitude des mouvements, et non sur la force musculaire ou la vitesse.
Les démonstrations en laboratoire comprennent plusieurs types de mouvements : le saut, la nage, le déplacement sur une surface et la préhension d’objets.
Lors d’un essai de saut, une seule contraction permet à un actionneur de s’élever d’environ 5 millimètres au-dessus du fond d’une boîte de laboratoire, soit un tiers de sa longueur corporelle, selon l’ETH Zurich.
Une version conçue pour marcher atteint également une vitesse de déplacement de 6,2 millimètres par seconde, mesurée lors des essais rapportés par les chercheurs.
Une nouvelle piste de recherche pour les acteurs de la robotique biohybride
Ces travaux illustrent une voie technologique différente des actionneurs mécaniques conventionnels : produire des mouvements robotiques à partir de contractions de tissus biologiques vivants, en optimisant la structure artificielle qui les accompagne.
Pour les acteurs de la robotique, l’intérêt de cette recherche réside notamment dans la méthode de conception numérique. L’équipe de l’ETH Zurich montre que les performances d’un actionneur biohybride dépendent autant de l’organisation du support souple que de la quantité de tissu musculaire employée.
Les dispositifs présentés restent des composants expérimentaux de petite taille, et non des robots humanoïdes complets. Les démonstrations portent sur leurs capacités de mouvement en laboratoire.
L’équipe de Robert Katzschmann dispose ainsi d’une méthode combinant simulation informatique, culture de cellules musculaires et fabrication additive pour concevoir et tester différentes architectures d’actionneurs biohybrides.