Τα τελευταία χρόνια έχει υπάρξει ιδιαίτερο ενδιαφέρον προς τα βιο-υβριδικά ρομπότ. Πρόκειται για ρομπότ τα οποία συνδυάζουν βιολογικά υλικά (όπως σωματικούς ή καρδιακούς μύες, ιστούς ασπόνδυλων ζώων και εντόμων) αλλά και τεχνητά υλικά. Στόχος είναι να να μας βοηθούν στο να μελετήσουμε την κίνηση και την συμπεριφορά διαφόρων οργανισμών συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου. Έτσι όχι μόνο θα κατανοήσουμε καλύτερα το ανθρώπινο σώμα αλλά θα μπορέσουμε μελλοντικά να τα χρησιμοποιήσουμε στην έρευνα και την εκπαίδευση. 1Webster-Wood, Victoria A., et al. “Biohybrid robots: recent progress, challenges, and perspectives.” Bioinspiration Biomimetics, vol. 18, no. 1, 8 Nov. 2022, p. 015001, doi:10.1088/1748-3190/ac9c3b.
Πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει βιο-υβριδικά ρομπότ που κινούνται από συσπάσεις μυϊκού ιστού που έχει καλλιεργηθεί στο εργαστήριο, και έχουν επιτευχθεί αρκετές απλές κινήσεις που μιμούνται την φυσική βιολογική λειτουργία (βιο-μιμητικές κινήσεις), όπως κινήσεις συσπάσεων (άντληση), κινήσεις μεταφοράς και γρήγορες απότομες κινήσεις (τίναγμα). Ο μυϊκός ιστός αποτελεί ένα βιολογικό υλικό ιδιαίτερου ενδιαφέροντος λόγω των ευέλικτων και σιωπηλών κινήσεών του. Ειδικότερα, ο σωματικός μυϊκός ιστός έχει το πλεονέκτημα να μπορεί να ελέγχει με ακρίβεια τις συσπάσεις του, αντίθετα με τους καρδιακούς μύες που εμφανίζουν αυθόρμητες συσπάσεις. Έχουν υπάρξει πολλές μελέτες με βιο-υβριδικά ρομπότ που χρησιμοποιούν τέτοιου είδους μυϊκούς ιστούς για να μιμηθούν διάφορες κινήσεις.
Ένα από τα προβλήματα που συναντάμε στα βιο-υβριδικά ρομπότ είναι ότι μπορούν να στρίβουν μόνο κατά την κίνηση προς τα εμπρός, με αποτέλεσμα μια μεγάλη τροχιά στροφής. Με απλά λόγια μπορούν να κάνουν μόνο “ανοιχτές στροφές”. Όταν όμως προσπαθούμε να προσομοιώσουμε την κίνηση του ανθρώπου χρειαζόμαστε ένα ρομπότ που να μπορεί να στρίβει απότομα και να μπορεί να αποφύγει πολλαπλά εμπόδια. Μια ομάδα τεσσάρων επιστημόνων στην Ιαπωνία αποφάσισε να δημιουργήσει ένα δίποδο βιο-υβριδικό ρομπότ που να μπορεί να κάνει ακριβώς αυτό, δηλαδή να στρίβει απότομα. Για να το πετύχουν κατασκεύασαν το ρομπότ έτσι ώστε να μπορεί να στρίβει επιτόπου. Στόχος τους ήταν η κίνηση να πλησιάζει περισσότερο στην βάδιση του ανθρώπου, σε σχέση με προηγούμενα ρομπότ.
Η μελέτη και τα αποτελέσματα
Η εν λόγω μελέτη2Kinjo, Ryuki, et al. “Biohybrid bipedal robot powered by skeletal muscle tissue.” Matter, vol. 7, no. 3, 6 Mar. 2024, pp. 948-62, doi:10.1016/j.matt.2023.12.035. Αρχειοθετημένο εδώ. δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Cell στις 26 Ιανουαρίου 2024 και, όπως προαναφέραμε, ανέλυσε τη δημιουργία ενός βιο-υβριδικού ρομπότ.
Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα δίποδο βιο-υβριδικό ρομπότ που μπορεί να κινηθεί μέσα σε ειδικό υγρό με διαδοχικό ηλεκτρισμό των ποδιών του. Ο λόγος που λειτουργεί μόνο μέσα σε συγκεκριμένο υγρό είναι ότι οι μυϊκοί ιστοί που καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο, και τοποθετήθηκαν στα πόδια του, δεν μπορούν να ενεργοποιηθούν (δηλαδή να κάνουν συσπάσεις) αν δεν βρίσκονται μέσα σε αυτό.
Για να μπορέσει να στέκεται όρθιο μέσα στο υγρό τοποθετήθηκε στο πάνω μέρος μία “σημαδούρα”. Το σώμα του αποτελείται από ένα ειδικό υλικό (συγκεκριμένα πολυδιμεθυλοσιλοξάνη – PDMS), τα πόδια εκτυπώθηκαν με ένα τρισδιάστατο εκτυπωτή (3D printer) και πάνω τους τοποθετήθηκαν δύο λεπτές λωρίδες μυϊκού ιστού (μία στο κάθε πόδι).
Για να το κάνουν να κινηθεί, οι ερευνητές έπρεπε να κρατούν δύο ηλεκτρόδια προκειμένου να διεγείρουν τον μυϊκό ιστό προκαλώντας ένα μικρό ηλεκτρικό σοκ, καθώς το ρομπότ δεν είχε την ικανότητα να κινηθεί από μόνο του. Όταν “χτύπησαν” με ηλεκτρισμό το ένα πόδι, ο μυϊκός ιστός έκανε σύσπαση με αποτέλεσμα να σηκωθεί το πόδι. Μόλις σταμάτησαν τον ηλεκτρισμό, ο μυϊκός ιστός χαλάρωσε και το πόδι προσγειώθηκε στο έδαφος κάνοντας ένα βήμα μπροστά. Έτσι κατάφεραν, με το να ηλεκτρίζουν μία το ένα πόδι και μία το άλλο, να κάνουν το ρομπότ να περπατήσει (περίπου 5μιση χιλιοστά σε ένα λεπτό).
Για να το κάνουν να στρίψει, ηλέκτριζαν μόνο το ένα πόδι κάθε μερικά δευτερόλεπτα και το ρομπότ έστριβε γύρω από το αντίθετο πόδι, το οποίο λειτουργούσε ως άξονας για την εν λόγω κίνηση. Εάν για παράδειγμα ηλέκτριζαν μόνο το αριστερό πόδι τότε το ρομπότ έστριβε προς τα δεξιά (σε περίπου 1 λεπτό).
Στο βίντεο που ακολουθεί, βλέπουμε τον τρόπο με τον οποίο ενεργοποιείται μια κίνηση από το εν λόγω βιο-υβριδικό ρομπότ:
Η ερευνητική ομάδα αναγνωρίζει τους περιορισμούς του ρομπότ και ευελπιστεί στο μέλλον να δημιουργήσει βελτιωμένες εκδοχές του. Αρχικά, θέλουν να μπορεί να λειτουργεί εκτός του υγρού περιβάλλοντος και μία λύση που προτείνουν είναι να περιβάλλουν τον μυϊκό ιστό με κολλαγόνο ή με ζωντανά δερματικά κύτταρα. Αυτό, βέβαια, θα εντάξει ένα νέο πρόβλημα, καθώς το ρομπότ δεν είναι φτιαγμένο για να μπορεί να στέκεται μόνο του όρθιο χωρίς την βοήθεια της σημαδούρας. Η ομάδα αναφέρει πως ένα μπαλόνι με ήλιο είναι μία πιθανή αντικατάστασή της. Επίσης έχουν στόχο να ενσωματώσουν την πηγή κίνησης, δηλαδή τον ηλεκτρισμό, στο ίδιο το ρομπότ για λόγους ταχύτητας, καθώς εικάζουν ότι ο χειροκίνητος ηλεκτρισμός των ποδιών να είναι πιθανώς πιο αργός από ότι αν γινόταν αυτόματα. Τέλος, ευελπιστούν ότι θα αυξήσουν τον αριθμό των κινήσεων και της πολυπλοκότητας αυτών σε μελλοντικά μοντέλα.
Παρόλα αυτά, το ρομπότ αυτό εξακολουθεί να είναι ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα, καθώς κατάφερε να πλησιάσει πολύ περισσότερο στην κίνηση του ανθρώπου. Η συνέχιση της έρευνας πάνω στα βιο-υβριδικά ρομπότ από σκελετικούς μύες μπορεί να μας προσφέρει μία βαθύτερη κατανόηση της φυσικής της κίνησης του σώματος μας αλλά και να ανοίξει το δρόμο για τη δημιουργία καινοτόμων προσθετικών ιατρικών υλικών και την βελτίωση υπαρχόντων ιατρικών συσκευών.
