私たちの筋肉は自然のアクチュエーターです。私たちの体を動かす力を生み出すのは腱組織です。近年、エンジニアは本物の筋肉組織を使用して、生体組織と合成部品の両方から作られた「バイオハイブリッドロボット」に動力を供給しています。研究者らは、実験室で製造した筋肉と合成骨格を組み合わせることで、筋肉を動力源とする爬虫類、歩行者、水泳者、グリッパーのコレクションを作成しています。
しかし、ほとんどの場合、これらのデザインは、生成できる動きとパワーの量に制限があります。現在、MITのエンジニアは人工腱を使ってバイオロボットにパワーリフティングをさせることを目指している。
今日のジャーナルに掲載された研究では 先端科学、 研究者らは、硬くて柔軟なヒドロゲルで作られた人工腱を開発した。研究者らは、ゴム状の腱を実験室で作製した筋肉の小片の両端に取り付け、「筋腱ユニット」を作成した。次に、各人工腱の端をロボットグリッパーの指に取り付けました。
彼らが中央の筋肉を刺激して収縮させると、腱が捕手の指を引っ張りました。このロボットは、接続腱のない同じ設計と比較して、指を 3 倍速く、30 倍強い力でつまみました。
研究者らは、新しい筋腱ユニットが、汎用工学要素と同様に、さまざまなバイオハイブリッドロボットの設計に適合できると構想している。
「私たちは人工腱を筋肉アクチュエータとロボット骨格の間の交換可能なコネクタとして提示します」と筆頭著者であり、MIT 機械工学 (MechE) の助教授であるリトゥ・ラマン氏は述べています。 「このようなモジュール性により、マイクロスケールの手術器具から適応型自律探査機械に至るまで、幅広いロボット用途の設計が容易になります。」
MITの研究論文の著者には、大学院生のニコラス・カストロ氏、マヒーラ・バワ氏、バスティアン・エイモン氏、ソニカ・コーリ氏、エンジェル・ブー氏が含まれる。アニカ・メルシュナー（学士）。博士研究員ロナルド・ハイザー。卒業生サラ・J.W. 19年、SM 21年、博士号24年、ローラ・ロサド22年、SM 25年。 MechE教授のMartin Culpepper氏とXuanhe Zhao氏。
筋肉の増加
MIT のリーマン氏とその同僚は、過去 10 年間に出現した比較的新しい分野であるバイオハイブリッド ロボット工学の最前線に立っています。彼らは、合成ロボットの部品や構造を、自然なアクチュエーターとして生きた筋肉組織と組み合わせることに焦点を当てています。
「エンジニアが普段扱っているアクチュエータのほとんどは、小さな子どもにとっては非常に難しいものです」とラマン氏は言います。 「一定の大きさを超えると、基本的な物理学は機能しません。筋肉の素晴らしい点は、各細胞が力を生み出し、動きを生み出す独立したアクチュエーターであることです。したがって、原理的には非常に小さなロボットを作ることができます。」
筋肉活性化剤には追加の利点もあり、それはラマンのチームがすでに実証していることです。組織は適応するにつれてより強くなり、損傷した場合には自然に治癒します。これらの理由から、ラマンらは、いつか筋肉質のドロイドを派遣して、人間にとってあまりにも辺鄙な環境や危険すぎる環境を探索できるようになるだろうと想像している。このような筋肉に縛られたボットは、予期せぬ移行に備えて体力を増強したり、助けが利用できない場合に自分自身を回復したりできます。バイオハイブリッド ボットは、人体に対して繊細なマイクロスケールの処置を行う小型の手術助手としても使用できます。
これらの将来のシナリオはすべて、ラマンらを駆り立てて、生きた筋肉と合成骨格を関連付ける方法を見つけさせることを目的としています。これまでのデザインでは、2 本の柱の周りにゴムバンドを巻き付けるのと同様に、筋肉バンドを成長させ、合成骨格に両端を取り付けることが含まれていました。筋肉が刺激されて収縮すると、骨格の各部分が互いに引き寄せられて、目的の動きを生み出すことができます。
しかし、ラマン教授は、この方法では、組織を動かすのではなく、骨格に組織を付着させるために使われる無駄な筋肉が大量に生成されると言う。そして、この接続は常に安全であるとは限りません。筋肉は骨格に比べて非常に柔らかく、その違いにより筋肉が断裂したり剥離したりすることがあります。さらに、多くの場合、最終的に何らかの仕事を行うのは筋肉の中央部分の収縮のみであり、比較的少量で、ほとんど力を生成しません。
「私たちは、どうすれば筋肉物質の無駄をなくし、よりモジュール化して何にでも取り付けられるようにし、より効率的に機能させるにはどうすればよいかを考えました。」とラマンは言います。 「身体が考え出した解決策は、筋肉と骨の中間にある硬さの腱を持たせることで、柔らかい筋肉と硬い骨格の間の機械的な不一致を埋めることができるようにすることです。腱は関節の周りを効果的に巻き付ける細いケーブルのようなものです。」
「スマートにつながる」
新しい研究で、リーマンと彼女の同僚は、天然の筋肉組織を合成クリップ骨格に接続する人工腱を設計しました。彼らが選択した材料は、ポリマーをベースとした緻密だが安定したゲルであるヒドロゲルでした。ラマンさんは、MIT でヒドロゲルの開発の先駆者となった同僚で共通の友人である Xuanhe Zhao からヒドロゲルのサンプルを入手しました。 Zhao氏のグループは、合成材料や生物材料を含む多くの表面に接着できる、可変の剛性と伸縮性を備えたヒドロゲルのレシピを作成した。
人工腱がグリップのデザインで機能するためにどの程度の硬さと伸縮性が必要かを理解するために、ラマンのチームはまず、中央の筋肉、接続する 2 本の腱、グリップの骨格をそれぞれ表す 3 種類のスプリングの単純なセットとしてデザインをモデル化しました。彼らは、以前から知られていた筋肉と骨格に一定の剛性があると考え、その助けを借りて、グリッパーを望ましい量だけ動かすために必要な接続腱の剛性を計算しました。
このモデルから、チームは一定の剛性を備えたヒドロゲルのレシピを作成しました。ゲルを準備した後、研究者らはゲルを慎重にエッチングして細いケーブルを作り、人工腱を作成した。彼らは、標準的な実験室技術を使用して成長させた筋肉組織の小さなサンプルの両端に2つの腱を取り付けました。次に、ロボットグリッパーの各指の端にある小さな柱の周りに各腱を巻き付けました。この骨格デザインは、精密機械の設計と構造の専門家である MechE 教授のマーティン カルペッパーによって開発されました。
研究チームが筋肉を刺激して収縮させると、腱がグリッパーを引っ張って指を挟み込んだ。複数の実験を通じて、研究者らは、筋腱グリッパーが、筋組織片のみ（人工腱なし）でグリッパーを操作する場合と比較して、3倍速く動作し、30倍以上の力を生み出すことを発見した。新しい腱ベースの設計は、7,000 サイクル、つまり筋肉の収縮を超えてこのパフォーマンスを維持することもできました。
全体として、ラマン氏は、人工腱の追加によりロボットの出力重量比が 11 倍増加したこと、つまり、システムが同じ量の作業を行うのに必要な筋肉がはるかに少なくなったことを意味していることを確認しました。
「必要なのは、骨格にスマートに取り付けられた小さなアクチュエーターだけです」とラマン氏は言う。 「通常、筋肉が非常に柔らかく、抵抗の高いものに取り付けられている場合、何かを動かす前に筋肉自体が切れてしまいます。しかし、引き裂きに耐えられる腱のようなものに筋肉を取り付けると、腱を介して力を実際に伝えることができ、他の方法では動かすことができない骨格を動かすことができます。」
チューリッヒ工科大学の生物医学技術者で健康科学・技術准教授のシモーネ・チャーラ・フィンケ氏は、筋腱チームの新しいデザインは生物学とロボット工学をうまく融合させた、と語る。
「硬いヒドロゲル腱は、より生理的な筋肉、腱、骨の構造を作り出し、力の伝達、耐久性、モジュール性を大幅に向上させます」と研究には関与していないシャール・フィンケ教授は言う。 「これにより、再現性を持って動作し、最終的には実験室の外でも機能するバイオハイブリッドシステムに向けた分野が前進します。」
新しい人工腱を設置した後、ラマン氏のグループは、筋肉を動力とするロボットを実際の現実世界の環境で使用できるようにするために、皮膚のような保護カバーなどの他の要素の開発に取り組んでいる。
この研究は、米国陸軍防衛研究局、MIT 研究支援委員会、および国立科学財団によって一部支援されました。
