Onderzoekers hebben zachte robotachtige apparaten ontwikkeld die worden aangedreven door neuromusculair weefsel dat wordt geactiveerd wanneer ze worden gestimuleerd door licht, waardoor werktuigbouwkunde een stap dichter bij de ontwikkeling van autonome biobots komt.

In 2014, onderzoeksteams onder leiding van professor mechanica en techniek Taher Saif en professor bio-engineering Rashid Bashir aan de Universiteit van Illinois werkten samen om de eerste zelfrijdende biohybride zwemmende en lopende biobots te ontwikkelen die werden aangedreven door het verslaan van hartspiercellen afkomstig van ratten.

"Onze eerste zwemmerstudie toonde met succes aan dat de bots, gemodelleerd naar zaadcellen, kon in feite zwemmen, Saif zei. "Die generatie enkelstaartbots gebruikte hartweefsel dat vanzelf klopt, maar ze konden de omgeving niet voelen of beslissingen nemen."

In een nieuwe studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences en geleid door Saif, de onderzoekers demonstreren een nieuwe generatie tweezijdige bots die worden aangedreven door skeletspierweefsel dat wordt gestimuleerd door ingebouwde motorneuronen. De neuronen hebben optogenetische eigenschappen:bij blootstelling aan licht, de neuronen zullen vuren om de spieren te activeren.

"We hebben een optogenetische neuroncelcultuur toegepast, afgeleid van muizenstamcellen, grenzend aan het spierweefsel, Saif zei. "De neuronen rukten op naar de spier en vormden neuromusculaire verbindingen, en de zwemmer verzamelde op zijn eigen."

Na te hebben bevestigd dat het neuromusculaire weefsel compatibel was met hun synthetische biobotskeletten, het team werkte om de vaardigheden van de zwemmer te optimaliseren.

"We gebruikten rekenmodellen, onder leiding van professor werktuigbouwkunde en techniek Mattia Gazzola, om te bepalen welke fysieke kenmerken zouden leiden tot het snelste en meest efficiënte zwemmen, " zei Saif. "Bijvoorbeeld, we hebben gekeken naar variaties in het aantal staarten en staartlengtes voor het meest efficiënte ontwerp van de biohybride zwemmer."

"Gezien het feit dat biologische actuatoren, of biobots, zijn niet zo volwassen als andere technologieën, ze zijn niet in staat om grote krachten te produceren. Dit maakt hun beweging moeilijk te controleren, " Gazzola zei. "Het is erg belangrijk om de steiger waar de biobots omheen groeien en waarmee ze communiceren, zorgvuldig te ontwerpen om het meeste uit technologie te halen en locomotieffuncties te bereiken. De computersimulaties die we uitvoeren, spelen een cruciale rol in deze taak, omdat we een aantal mogelijke ontwerpen kunnen overspannen en alleen de meest veelbelovende kunnen selecteren om in het echte leven te testen."

"Het vermogen om spieractiviteit te stimuleren met neuronen maakt de weg vrij voor verdere integratie van neurale eenheden in biohybride systemen, Saif zei. "Gezien ons begrip van neurale controle bij dieren, het is misschien mogelijk om verder te gaan met biohybride neuromusculaire ontwerpen door een hiërarchische organisatie van neurale netwerken te gebruiken."

Saif zei dat hij en zijn team zich deze vooruitgang voorstellen die leidt tot de ontwikkeling van meercellige, gemanipuleerde levende systemen met het vermogen om intelligent te reageren op omgevingssignalen voor toepassingen in bio-engineering, geneeskunde en zelfherstellende materiaaltechnologieën.

Echter, het team erkent dat - net als levende organismen - geen twee biohybride machines zich zullen ontwikkelen om precies hetzelfde te zijn.

"Net zoals tweelingen niet echt identiek zijn, twee machines die zijn ontworpen om dezelfde functie uit te voeren, zullen niet hetzelfde zijn, "Zei Saif. "De ene kan sneller bewegen of genezen van schade anders dan de andere - een unieke eigenschap van levende machines."