Selbsttrainierende schwimmende Biohybrid-Roboter: Fortschritte bei adaptiver Soft Robotics

Robotiker zielen darauf ab, das nachzuahmen, was natürliche biologische Entitäten erreicht haben – Aktionen wie Bewegung, Anpassung an die Umgebung oder Wahrnehmung. Jenseits traditioneller starrer Roboter hat sich مؤخرet das Feld der Soft Robotics entwickelt, das nachgiebige, flexible Materialien nutzt, die sich effizienter an ihre Umgebung anpassen können als starre. Mit diesem Ziel vor Augen arbeiten Wissenschaftler im Bereich biohybrider Roboter oder Biobots. Diese bestehen im Allgemeinen aus Muskelgewebe, entweder Herz- oder Skelettmuskel, und einem künstlichen Gerüst, das Kriechen, Greifen oder Schwimmen erreichen kann. Leider können aktuelle Biobots die Leistung natürlicher Entitäten in Bezug auf Mobilität und Stärke nicht emulieren.

Forscher haben beide Herausforderungen durch den Einsatz bioengineeringtechnischer Werkzeuge überwunden. Sie wandten 3D-Bioprinting und Engineering-Design für die Entwicklung von Biobots im Zentimeterbereich an, die wie Fische schwimmen und gleiten können mit beispiellosen Geschwindigkeiten. Der Schlüssel ist die Nutzung der spontanen Kontraktion von muskelzellbasierten Materialien mit einem sehr nachgiebigen Skelett.

Anstatt mit steifen oder angebundenen Gerüsten künstliche Roboter zu bauen, nutzten die Forscher biologische Roboter basierend auf einer flexiblen serpentinen Feder aus einem Polymer namens PDMS, die über Simulationen entworfen und optimiert und dann mit 3D-Drucktechnologie gedruckt wurde. Der Vorteil dieses innovativen Gerüsts liegt in der verbesserten Ausbildung und Entwicklung des Gewebes durch mechanische Selbststimulation bei spontanen Kontraktionen, was einen Rückkopplungsloop durch die Rückstellkraft der Feder erzeugt. Dieses Selbsttrainingsereignis führt zu verbesserter Aktuierung und größerer Kontraktionskraft. Solche serpentinen Federn wurden zuvor noch nicht in einem weichen robotischen Lebenssystem eingesetzt. Neben der Kapazität zum Selbsttraining bewegten sich die biohybriden Schwimmer basierend auf Skelettmuskelzellen 791-mal schneller als aktuelle skelettmuskelbasierte Biobots und waren vergleichbar mit anderen kardiomyozytenbasierten Bioschwimmern (basierend auf Herzmuskelzellen).

Die neuen Biobots konnten auch andere Bewegungen ausführen. Sie konnten gleiten, wenn sie in der Nähe der Bodenoberfläche platziert wurden, was dem Schwimmstil bestimmter Fische ähnelt, der durch sporadische Ausbrüche gefolgt von Gleitphasen charakterisiert ist.

Die Arbeit hat auch Anwendungen in der Medikamentenabgabe und Entwicklung bionischer Prothesen.