Forschende der ETH Zürich haben Roboteraktoren entwickelt, die im Labor gezüchtete lebende Muskeln mit 3D-gedruckten Strukturen kombinieren. Die biohybriden Komponenten können springen, schwimmen, sich fortbewegen und Objekte greifen.
Im Soft Robotics Lab unter der Leitung von Professor Robert Katzschmann arbeitet ein Team der ETH Zürich an einem Ansatz der biohybriden Robotik: Lebendes Muskelgewebe dient als Antrieb für Bewegungen. Die in Nature Communications veröffentlichten Arbeiten beruhen darauf, die Muskeln und ihren künstlichen Träger gleichzeitig zu entwerfen. So sollen die Verformungen verstärkt werden, die durch die Kontraktionen entstehen.
ETH Zürich kombiniert Muskelzellen von Mäusen mit 3D-gedruckten Trägern
Die Forschenden verwenden Skelettmuskelgewebe, das aus Mauszellen gezüchtet wurde. Die Muskeln werden in eine Struktur aus Hydrogel eingebettet. Das weiche, wasserreiche Material lässt sich ähnlich wie biologisches Gewebe biegen und dehnen.
Die Besonderheit der Methode liegt im gemeinsamen Entwurf von Muskel und Träger. Statt beide Elemente getrennt herzustellen, bestimmen die Wissenschaftler ihre Konfiguration mithilfe einer Computersimulation.
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Entwickelt haben diesen Ansatz Aiste Balciunaite und Mike Y. Michelis, die beiden Erstautoren der Studie. Ein Algorithmus sucht nach den Konfigurationen, bei denen die Muskelkontraktion die größte Verschiebung der gesamten Komponente bewirkt.
Die ausgewählten Strukturen werden anschließend im Labor per Xolographie hergestellt, einem 3D-Druckverfahren, das mit Licht arbeitet. Laut den Forschenden der ETH Zürich dauert die Herstellung eines Trägers etwa eine Minute. Mit den Versuchsergebnissen werden dann die Materialeigenschaften und Fertigungsparameter in den Simulationen angepasst.
Bis zu elfmal größere Bewegungen als bei früheren Systemen
Die so entstandenen Bioaktoren sind nach Angaben des ETH-Teams etwa 1,5 Zentimeter lang. Ihre Verformung ist groß genug, um mit bloßem Auge sichtbar zu sein. Bei manchen früheren Systemen ließen sich die Bewegungen dagegen nur unter dem Mikroskop beobachten.
Die Forschenden berichten von einer bis zu elfmal größeren Bewegungsamplitude als bei früheren Systemen mit einer vergleichbaren Menge an Muskelgewebe. Der Vergleich bezieht sich auf das Ausmaß der Bewegungen, nicht auf Muskelkraft oder Geschwindigkeit.
Die Demonstrationen im Labor umfassen mehrere Bewegungsarten: Springen, Schwimmen, Fortbewegung auf einer Oberfläche und das Greifen von Objekten.
Bei einem Sprungversuch hob eine einzige Kontraktion einen Aktor laut ETH Zürich etwa 5 Millimeter über den Boden einer Laborschale, also um ein Drittel seiner Körperlänge.
Eine für das Gehen ausgelegte Variante erreicht zudem eine Fortbewegungsgeschwindigkeit von 6,2 Millimetern pro Sekunde, gemessen in den Versuchen, über die die Forschenden berichten.
Neuer Forschungsansatz für die biohybride Robotik
Die Arbeiten zeigen einen technologischen Weg, der sich von herkömmlichen mechanischen Aktoren unterscheidet: Roboterbewegungen entstehen aus den Kontraktionen lebenden biologischen Gewebes, während die begleitende künstliche Struktur gezielt optimiert wird.
Für die Robotikbranche liegt der Reiz dieser Forschung vor allem in der digitalen Entwurfsmethode. Das Team der ETH Zürich zeigt, dass die Leistung eines biohybriden Aktors ebenso von der Gestaltung des weichen Trägers abhängt wie von der eingesetzten Menge an Muskelgewebe.
Bei den vorgestellten Systemen handelt es sich weiterhin um kleine experimentelle Komponenten, nicht um vollständige humanoide Roboter. Die Demonstrationen beziehen sich auf ihre Bewegungsfähigkeiten im Labor.
Das Team von Robert Katzschmann verfügt damit über eine Methode, die Computersimulation, Muskelzellkultur und additive Fertigung verbindet, um verschiedene Architekturen biohybrider Aktoren zu entwerfen und zu testen.