Biohybride Roboter mit lebenden Muskelantrieben

Lebendes Muskelgewebe als Antrieb für Roboter: Forschende der ETH Zürich haben einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sich die Beweglichkeit biohybrider Systeme deutlich steigern lässt. Statt Muskelgewebe und künstliche Trägerstrukturen unabhängig voneinander zu konstruieren, werden beide Komponenten gemeinsam am Computer optimiert. Wie die ETH Zürich mitteilt, erreichen die daraus entstandenen Bioaktuatoren einen bis zu elfmal größeren Bewegungsumfang als frühere Systeme mit vergleichbarer Muskelmenge. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

So funktionieren die neuen biohybriden Roboter

Die entwickelten Bioaktuatoren bestehen aus lebendem Skelettmuskelgewebe, das aus Muskelzellen von Mäusen gezüchtet wird, und einem weichen Hydrogel-Gerüst. Das wasserreiche Material lässt sich ähnlich flexibel verformen wie biologisches Gewebe. Bisher konnten im Labor gezüchtete Muskeln zwar kontrahieren, erzeugten dabei jedoch häufig nur minimale Bewegungen. Der neue Ansatz setzt deshalb nicht allein auf die Muskelmenge, sondern auf das Zusammenspiel zwischen Muskelgewebe und künstlicher Struktur.

Aiste Balciunaite und Mike Y. Michelis, die sich die Erstautorschaft der Studie teilen, entwickelten dafür ein gemeinsames computergestütztes Designverfahren. Balciunaite, Doktorandin am Soft Robotics Lab von ETH-Professor Robert Katzschmann, erklärt: „Anstatt eine feste Form für unsere Muskelgeometrie festzulegen, wollten wir das Ganze von Grund auf neu am Computer entwerfen.“ Ein Algorithmus berechnet, wie Muskelgewebe und Hydrogel-Gerüst angeordnet sein müssen, damit die Muskelkontraktion eine möglichst große Verformung des gesamten Bauteils erzeugt.

3D-Druck und Simulation optimieren die Muskelantriebe

Nach der computergestützten Entwicklung stellten die Forschenden die Bioaktuatoren im Labor her und überprüften deren Bewegungsverhalten experimentell. Für die Herstellung der Hydrogel-Gerüste nutzten sie die sogenannte Xolographie. Bei diesem lichtbasierten 3D-Druckverfahren dauert die Fertigung eines Gerüsts etwa eine Minute. Simulation und Experimente wurden dabei wiederholt aufeinander abgestimmt. „Selbstverständlich war es ein iterativer Prozess“, erklärt Balciunaite. Erkenntnisse über Materialeigenschaften und Herstellungsbedingungen flossen kontinuierlich in die Berechnungen zurück.

Das Ergebnis sind rund 1,5 cm lange Muskelantriebe, deren Verformungen ohne technische Hilfsmittel sichtbar sind. Gegenüber bisherigen Konstruktionen mit vergleichbarer Muskelmenge fällt der Bewegungsumfang bis zu elfmal größer aus. „Bei bisherigen Systemen musste man teilweise unter dem Mikroskop hinschauen, um die Verformung zu erkennen“, sagt Balciunaite.

Roboter in Salzkorngröße reist durch den menschlichen Körper

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Welche Bewegungen ermöglichen die biohybriden Roboter?

Mit den neu entwickelten Bioaktuatoren demonstrierten die ETH-Forschenden unterschiedliche Bewegungsformen. Die kleinen Systeme können springen, schwimmen, sich über den Boden bewegen und Gegenstände greifen. Besonders bemerkenswert ist die Sprungbewegung. Bei einer einzigen Muskelkontraktion hebt sich ein Aktuator etwa fünf Millimeter vom Boden der Versuchsschale ab. Das entspricht rund einem Drittel seiner Körperlänge.

Auch bei der Fortbewegung am Boden zeigen die Systeme deutliche Fortschritte. Eine laufende Variante erreicht eine Geschwindigkeit von 6,2 mm/s. Bezogen auf ihre Körperlänge ist sie damit schneller als jeder bisher bekannte laufende Biohybrid-Roboter. Entscheidend für diese Bewegungsleistungen ist die mechanische Verbindung zwischen Muskelgewebe und Hydrogel-Gerüst. Feine Rillen in der künstlichen Struktur unterstützen die Verankerung des Gewebes und die Ausrichtung der Muskelfasern. Dadurch lässt sich die erzeugte Muskelkraft möglichst verlustarm auf das Gerüst übertragen.

Nährstoffversorgung bleibt zentrale Herausforderung

Trotz der Fortschritte sind die biohybriden Roboter bislang auf Laborbedingungen angewiesen. Das lebende Muskelgewebe benötigt eine Nährflüssigkeit, um funktionsfähig zu bleiben. Für größere und langfristig einsetzbare Systeme wäre nach Einschätzung von ETH-Professor Robert Katzschmann eine künstliche Blutversorgung erforderlich. Ein entsprechendes Gefäßsystem müsste Sauerstoff und Nährstoffe zuführen und gleichzeitig Stoffwechselabfälle abtransportieren.

Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der natürlichen Variabilität biologischer Materialien. Anders als industriell gefertigte Komponenten weisen gezüchtete Muskelantriebe Unterschiede in ihrem Verhalten auf. Die Forschenden wollen deshalb genauer untersuchen, wie sich das Muskelgewebe während der Reifung im Labor entwickelt und wie dieser Prozess besser kontrolliert werden kann.

Warum lebende Muskeln neue Möglichkeiten für die Robotik eröffnen

Die Forschung der ETH Zürich zeigt, dass sich die Leistungsfähigkeit biohybrider Roboter nicht allein durch mehr Muskelgewebe steigern lässt. Ebenso wichtig ist die gezielte Gestaltung der mechanischen Struktur, mit der das Gewebe verbunden ist. Dabei übernimmt die Muskelgeometrie selbst eine konstruktive Funktion. Muskeln erzeugen nicht nur Kraft, sondern verändern auch ihre Form und beeinflussen damit die Bewegung des gesamten Systems.

Für die Entwicklung solcher Antriebe ist eine enge Zusammenarbeit unterschiedlicher Disziplinen erforderlich. In der Studie wurden Erkenntnisse aus Zellbiologie, Materialwissenschaft, Robotik und computergestütztem Design miteinander kombiniert. Langfristig sieht Katzschmann darin die Möglichkeit, robotische Systeme stärker nach biologischen Prinzipien zu entwickeln. Statt Bewegungen ausschließlich mit konventionellen Motoren und starren Bauteilen zu erzeugen, könnten künftig lebende Strukturen eine größere Rolle übernehmen. „Wir beginnen gerade erst, Roboter auf eine natürlichere Art zu bauen“, so Katzschmann.