Biohybrid-Robotik: Selbsttrainierte Bio-Muskeln treiben Schwimmroboter an
Bio-Muskeln für Roboter müssen stark sein. Ein Forschungsteam hat sie sich selbst trainieren lassen, um an Stärke zu gewinnen.
Mit dem Trainingsgerät (li.) werden die gezüchteten Muskeln trainiert. Eingesetzt werden sie in kleinen Schwimmrobotern mit zwei Heckflossen (re.).
(Bild: NUS)
Wissenschaftler der National University of Singaore (NUS) haben im Labor gezüchtete Muskelgewebe mit einer einfachen mechanischen Trainingsplattform im Selbsttraining ohne jegliche externe Stimulation so gestärkt, dass die Muskeln dazu verwendet werden konnten, um einen kleinen fischähnlichen Schwimmroboter anzutreiben. Der OstraBot erreichte dabei die wohl höchste Geschwindigkeit, die bei einem skelettmuskelbetriebenen Biohybrid-Roboter je gemessen wurde.
Muskelbasierte Aktuatoren, also solche, die von lebenden Zellen anstatt von Motoren angetrieben werden, sind weich, arbeiten leise und sind in kleinen Maßstäben sehr energieeffizient. Außerdem sind sie biologisch abbaubar und erzeugen keinen Elektroschrott. Für größere Roboter ist der Einsatz von Bio-Muskeln allerdings weniger geeignet, weil sie nicht genügend Kraft aufwenden können und somit derzeit für sinnvolle Anwendungen kaum taugen.
Das Forschungsteam der NUS hat nach einer Möglichkeit gesucht, die Kraft von Bio-Muskeln zu erhöhen, wie es in der Studie „Fast-swimming biohybrid OstraBot with self-trained high-strength muscles“ schreibt, die in Nature Communications erschienen ist. Dazu haben sie eine Trainingsplattform für im Labor gezüchtete Muskeln gebaut. Sie besteht im Wesentlichen aus einem beweglichen Block in einer Führung, an dem zwei Muskelringe gegenläufig eingehängt sind und gegeneinander arbeiten können. Kontrahiert der eine Muskel, wird der andere gedehnt und umgekehrt, sodass sie sich gegenseitig trainieren und mit der Zeit stärker werden.
Muskeln im Selbsttraining
Die Forscher nutzen dabei ein Verhalten, das bei jungen Skelettmuskelzellen während ihrer Reifung zu beobachten ist. Ab dem dritten Tag treten bei ihnen spontane Kontraktionen auf. Die werden dazu genutzt, damit sich die Muskeln selbst trainieren können. Eine externe Stimulation der Muskeln ist dazu nicht notwendig. Am fünften Tag erreichen die Kontraktionen ihren Höhepunkt und klingen dann bis zur vollständigen Reifung ab.
Die so trainierten Muskeln erreichten eine maximale Kraft von 7,05 Millinewton und eine Spannung von 8,51 Millinewton, wie der Studie zu entnehmen ist. Nach Angaben der Forscher sind diese Werte die höchsten, die je für diese Zelllinie in der Biohybriden Robotik gemessen wurden. Sie sollen um mehr als eine Größenordnung über denen liegen, die in vielen anderen Studien genannt werden.
Die Forscher verwenden die trainierten Muskeln in einem Schwimmroboter mit dem Namen OstraBot. Der Roboter benutzt das Fortbewegungsprinzip eines Kofferfisches (Ostraciidae) mit starrem Körper, der sich selbst lediglich durch Schwanzschwingungen antreibt. Der Unterschied von OstraBot zu seinem biologischen Vorbild besteht darin, dass beim Roboter zwei Schwänze von einem Muskel angetrieben werden. Der Muskel wird dabei elektrisch stimuliert.
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Bei einer Stimulationsfrequenz von 3 Hz schwamm der OstraBot etwa dreimal so schnell wie ein gleicher Roboter mit herkömmlich gezüchteten Muskeln, die nicht trainiert worden waren. Der OstraBot erreichte dadurch eine Geschwindigkeit von 467 mm pro Minute, nach Angaben der Wissenschaftler die höchste jemals gemessene Geschwindigkeit eines skelettmuskelbetriebenen Biohybrid-Roboters.
(olb)
