Учёные создали биогибридный привод, в котором живую скелетную мышцу и мягкий гидрогелевый каркас разрабатывают как единую механическую систему. Результат — диапазон движения в 11 раз больше, чем у предыдущих конструкций с аналогичным объёмом мышечной ткани. Роботы на основе такого привода прыгали, плавали, ходили и захватывали небольшие предметы.

Ключ к успеху не в усилении самой мышечной ткани. Авторы сосредоточились на том, как форма, толщина и жёсткость живого слоя работают вместе с каркасом. Мощная ткань бесполезна, если часть её сокращения теряется на соединении с искусственной конструкцией или каркас деформируется не так, как нужно.

Исследователи создали компьютерную модель мышцы и каркаса как единого мягкого тела. Эволюционный алгоритм перебирал варианты геометрии, отбирая конструкции с максимальной деформацией, затем учёные регулировали соотношение жёсткости и размеров обоих слоёв. Расчёты показали: наибольший изгиб происходит, когда активная мышца занимает 40–50% общей толщины привода.

Для каркаса размером 15 × 3,5 × 1 мм оптимальная толщина мышечного слоя составила около 0,5 мм. В готовых образцах живая ткань имела толщину 0,3–0,5 мм. Каркас изготовили из мягкого гидрогеля с микроскопическими канавками, которые направляли рост мышечных волокон и передавали сокращение вдоль нужной оси.

Живой слой выращивали из клеток скелетной мышцы C2C12 прямо на гидрогелевой основе. Критическим оказалось качество связи между материалами: мышца должна была оставаться прочно сцеплена с каркасом при повторяющихся сокращениях. Поверхность оформили с взаимно сцепляющимся микрорельефом, а химическое сшивание двух гидрогелевых слоёв создало непрерывное соединение.

После созревания мышечные волокна выстраивались вдоль микроканавок и сокращались под электрической стимуляцией. На частоте 1–3 герца привод циклически изгибался с амплитудой до 6,6 мм. Предыдущие конструкции с сопоставимым объёмом мышцы обычно обеспечивали перемещение порядка нескольких сотен микрометров.

Одну схему адаптировали под разные типы движения. Мышечный привод запускал прыжки, приводил в движение плавающего робота, обеспечивал ходьбу и приводил в действие захват. Каркасы с микроканавками, ориентированными в разных направлениях, позволили получать сокращения по нескольким осям. Несколько приводов можно объединить в более сложные системы.

Пока это лабораторные демонстраторы, а не автономные машины. Сокращения запускаются внешним электрическим полем, живой ткани нужны подходящие условия и питание, а масштабирование осложняется доставкой кислорода и питательных веществ к клеткам. Работа решает другую задачу: показывает, как получить значительно больше полезного движения из уже доступного объёма мышечной ткани.

В биогибридной робототехнике есть и другие подходы. Некоторые добавляют между мышцей и каркасом искусственные сухожилия для лучшей передачи усилия, другие усиливают мышцы на этапе выращивания. Новый метод переносит часть работы на проектирование: алгоритм подбирает мышцу и каркас одновременно, затем готовую конструкцию воспроизводят из живой ткани и гидрогеля.