Biohybrid-Roboter macht scharfe Rotationen mit im Labor gezüchteten Muskeln

Im Vergleich zu Robotern sind menschliche Körper flexibel, zu feinen Bewegungen fähig und können Energie effizient in Bewegung umwandeln. Inspiriert vom menschlichen Gang entwickelten Forscher aus Japan einen zweibeinigen Biohybridroboter, indem sie Muskelgewebe und künstliche Materialien kombinierten. Veröffentlichung am 26. Januar in der Zeitschrift GegenstandDiese Methode ermöglicht dem Roboter das Gehen und Drehen.

Die Forschung an Biohybridrobotern, die eine Verschmelzung von Biologie und Mechanik darstellen, erregt in jüngster Zeit Aufmerksamkeit als neues Gebiet der Robotik mit biologischer Funktion. Durch den Einsatz von Muskeln als Aktuatoren können wir einen kompakten Roboter bauen und effiziente, geräuschlose Bewegungen mit sanfter Berührung erzielen.“

Shoji Takeuchi, korrespondierender Autor der Universität Tokio, Japan

Der zweibeinige Roboter des Forschungsteams, ein innovatives zweibeiniges Design, baut auf dem Erbe biohybrider Roboter auf, die sich Muskeln zunutze machen. Muskelgewebe hat biohybride Roboter dazu gebracht, geradeaus zu kriechen und zu schwimmen und Kurven zu fahren – aber keine scharfen. Dennoch ist die Fähigkeit, sich zu drehen und scharfe Kurven zu fahren, eine wesentliche Voraussetzung für Roboter, um Hindernissen auszuweichen.

Um einen flinkeren Roboter mit feinen und feinfühligen Bewegungen zu bauen, haben die Forscher einen Biohybridroboter entworfen, der den menschlichen Gang nachahmt und im Wasser operiert. Der Roboter verfügt über eine Bojenoberseite aus Schaumstoff und beschwerte Beine, damit er unter Wasser gerade stehen kann. Das Skelett des Roboters besteht hauptsächlich aus Silikonkautschuk, der sich biegen und beugen kann, um sich den Muskelbewegungen anzupassen. Anschließend befestigten die Forscher Streifen aus im Labor gezüchtetem Skelettmuskelgewebe am Silikonkautschuk und an jedem Bein.

Als die Forscher das Muskelgewebe mit Strom versorgten, zog sich der Muskel zusammen und hob das Bein an. Die Ferse des Beins landete dann nach vorne, als die Elektrizität nachließ. Durch abwechselnde elektrische Stimulation zwischen dem linken und dem rechten Bein alle 5 Sekunden „lief“ der Biohybridroboter erfolgreich mit einer Geschwindigkeit von 5,4 mm/min (0,002 Meilen pro Stunde). Um sich umzudrehen, versetzten die Forscher dem rechten Bein wiederholt alle fünf Sekunden einen Schlag, während das linke Bein als Anker diente. Der Roboter schaffte in 62 Sekunden eine 90-Grad-Linkskurve. Die Ergebnisse zeigten, dass der muskelbetriebene zweibeinige Roboter gehen, anhalten und fein abgestimmte Drehbewegungen ausführen kann.

„Derzeit bewegen wir manuell ein Elektrodenpaar, um individuell ein elektrisches Feld an die Beine anzulegen, was Zeit braucht“, sagt Takeuchi. „Durch die Integration der Elektroden in den Roboter erwarten wir in Zukunft eine effizientere Steigerung der Geschwindigkeit.“

Das Team plant außerdem, dem zweibeinigen Roboter Gelenke und dickeres Muskelgewebe zu verleihen, um anspruchsvollere und kraftvollere Bewegungen zu ermöglichen. Doch bevor der Roboter mit weiteren biologischen Komponenten aufgerüstet wird, muss das Team laut Takeuchi ein Nährstoffversorgungssystem integrieren, um die lebenden Gewebe und Gerätestrukturen zu erhalten, die es dem Roboter ermöglichen, in der Luft zu operieren.

„Während unserer regulären Laborbesprechung brach Jubel aus, als wir auf dem Video sahen, wie der Roboter erfolgreich läuft“, sagt Takeuchi. „Obwohl es wie kleine Schritte erscheinen mag, sind sie in Wirklichkeit große Fortschritte für die Biohybrid-Roboter.“

Diese Arbeit wurde vom JST-Mirai-Programm, JST Fusion Oriented Research for disruptive Science and Technology und der Japan Society for the Promotion of Science unterstützt.