Impression 3D STAMP permet des muscles synthétiques pour la robotique souple

Une équipe de chercheurs du MIT a récemment créé le premier actionneur musculaire synthétique capable de se fléchir dans plusieurs directions. Cette étude ouvre la voie à des robots souples plus performants et à d’autres percées médicales avancées. Voici comment l’équipe a utilisé une nouvelle méthode d’impression 3D, accompagnée de tampons spécialement conçus, pour cultiver des muscles synthétiques en laboratoire capables de reproduire le vrai muscle.

Comprendre l’architecture musculaire et le mouvement

Pour comprendre pourquoi vous ne pouvez pas simplement fabriquer un moteur qui fait ce qu’un muscle fait, il faut d’abord examiner le fonctionnement de votre corps. Lorsque vous bougez la main, il se passe bien plus que vos muscles qui tirent dans une seule direction. De nombreuses fibres musculaires squelettiques multidirectionnelles forment des motifs complexes et sont orientées à des angles pour produire les mouvements exacts du corps humain.

La nature est incroyablement efficace, et au cours de milliards d’années d’évolution, elle a eu le temps de corriger la plupart des erreurs de forme et de fonctionnement. C’est pourquoi les ingénieurs se tournent souvent vers la nature pour s’inspirer de leurs conceptions. Récemment, des scientifiques se sont penchés sur la culture de fibres musculaires squelettiques.

Actionneurs musculaires biohybrides et leurs limites

Ces fibres se contractent lorsqu’une charge électrique est appliquée. Lorsque la charge est retirée, les muscles se relâchent, permettant des opérations répétables. Ces actionneurs biohybrides souples offrent une efficacité énergétique, une adaptabilité et peuvent être configurés pour s’adapter à presque n’importe quelle forme. Cependant, ils ne sont pas idéaux pour plusieurs raisons.

Défis des méthodes de fabrication actuelles des muscles synthétiques

La conception actuelle des actionneurs musculaires synthétiques possède une amplitude de mouvement limitée. Dans la plupart des applications, le muscle synthétique est relié entre deux points. Cette configuration ne permet au muscle que de tirer ou de se détendre le long des points de montage.

De plus, il est incroyablement coûteux de cultiver des actionneurs synthétiques. Le processus actuel de création de caractéristiques topographiques microscopiques dans des hydrogels de matrice extracellulaire nécessite un équipement spécialisé. C’est également un processus à plusieurs étapes qui oblige les entreprises à engager des experts en microfabrication.

Présentation de STAMP: une nouvelle méthode de fabrication pour les actionneurs musculaires synthétiques

Les chercheurs du MIT voulaient démontrer une meilleure méthode de création de muscles synthétiques via une nouvelle technique de tamponnage. L’étude “Exploiter la microtopographie pour structurer des actionneurs musculaires multi-orientés“¹ a été publiée dans la revue Biomaterials Science.

Elle met en évidence la façon dont l’équipe a réussi à utiliser l’impression 3D avancée pour créer une méthode plus efficace et abordable de croissance de tissus artificiels reproduisant la complexité architecturale de tissus réels comme les muscles de votre iris.

Méthodologie STAMP et approche d’impression 3D

Dans le cadre de leurs recherches, les scientifiques ont créé la méthode de fabrication STAMP (simple templating of actuators via micro‑topographical patterning) afin d’assurer une fabrication fiable. Notamment, le tampon a été conçu pour s’insérer dans des plaques à 24 puits standard. L’équipe a ensuite utilisé les installations d’impression 3D de haute précision de MIT.nano pour créer des micro‑rainures verticalement alignées (90°) dans des moules d’hydrogel.

Tapis d’hydrogel

Un tapis d’hydrogel spécialement conçu pour favoriser la croissance cellulaire a été créé. L’hydrogel est un matériau souple, mais il peut être doté de rainures ou d’autres motifs pour modifier la croissance cellulaire. Notamment, la conception du tapis d’hydrogel ressemble étroitement aux travaux antérieurs des chercheurs dans lesquels un matériau similaire était utilisé pour cultiver un muscle synthétique et le renforcer.

Revêtement antiadhésif

Comme un pâtissier expérimenté, les ingénieurs ont appliqué un revêtement antiadhésif à leurs tampons. Ce revêtement était composé d’une protéine qui soutenait le motifage haute fidélité des indices micro‑topographiques sans déchirure. Curieusement, l’équipe a stérilisé le tampon à l’aide de systèmes UV avant de le faire tremper pendant une heure dans une solution à 1 % d’albumine sérique bovine comme inhibiteur de moule.

Modélisation computationnelle des actionneurs musculaires multi‑orientés

Au cœur de l’expérimentation se trouvait la simulation informatique spécialisée de l’équipe. L’équipe a créé le modèle pour améliorer leurs essais et leurs tentatives d’expérimentation. Cette simulation avancée a permis à l’équipe d’étudier comment le motifage micro‑topographique influençait l’efficacité de l’alignement musculaire.

Ils ont également pu consacrer du temps à la recherche de détails clés tels que la morphologie des fibres et la fonction contractile tant chez les myoblastes de souris que d’humain. À partir de là, l’équipe a exploré comment la taille des cellules et la taille des rainures influençaient l’alignement musculaire et la conception globale. De façon impressionnante, les résultats des tests correspondaient aux résultats de la simulation informatique, soulignant son utilité et sa précision.

Test de l’actionneur musculaire multi‑directionnel inspiré de l’irïs

Pour tester leur théorie, les ingénieurs ont décidé de s’inspirer d’un muscle complexe de votre œil. Les muscles de votre iris permettent d’ajuster la lumière dans plusieurs directions. Ces muscles peuvent se déplacer de façon concentrique et radiale, selon ce sur quoi vous vous concentrez et d’autres conditions environnementales.

Les ingénieurs ont conçu un moule qui exploitait des fibres musculaires circulaires disposées concentriquement, posées sur des fibres positionnées radialement. Dans vos yeux, cette conception complexe permet une mise au point fine et des ajustements instantanés.

Notamment, dans cette expérience, l’irïs artificiel est fabriqué avec des cellules musculaires squelettiques volontaires, qui diffèrent des cellules musculaires lisses involontaires présentes dans notre corps. Curieusement, les ingénieurs ont noté que les myoblastes de souris et d’humain semés sur des fibres musculaires squelettiques optogénétiques cultivées sur un substrat d’irïs tamponné STAMP commençaient à fusionner en fibres en moins de 24 heures.

Que la lumière soit

Les fibres musculaires ont pu mûrir complètement en une réplique adéquate de l’irïs, démontrant comment le nouveau procédé peut créer des conceptions complexes lorsque cela est requis. Contrairement aux précédents actionneurs musculaires biorobotiques, cette nouvelle version a été génétiquement modifiée pour s’ajuster lorsqu’elle est exposée à la lumière.

Cette configuration permet aux ingénieurs de cibler exactement quel muscle activer à l’aide de faisceaux lumineux. Le choix d’utiliser des régions spatialement séparées de fibres musculaires concentriques et radiales a permis aux ingénieurs de contrôler la constriction de la pupille dans les régions concentriques séparément également.

Résultats: actionnement multi‑directionnel et validation

Les ingénieurs ont mené plusieurs expériences pour présenter leur création et montrer comment elle encourage les cellules musculaires à croître et à fusionner en fibres. Le muscle synthétique s’est contracté dans plusieurs directions lorsqu’il a été stimulé par des sources lumineuses. Notamment, les tests ont permis à l’équipe d’être la première à démontrer un robot alimenté par du muscle squelettique générant une force multi‑directionnelle.

Les résultats des tests ont montré que l’équipe a réussi à reproduire la disposition et les capacités de l’irïs. Ces résultats montrent comment la méthode STAMP permet de concevoir, créer et tester des actionneurs musculaires synthétiques souples multi‑directionnels avec plus d’efficacité.

Avantages de la méthode STAMP pour l’ingénierie musculaire

Les bénéfices de l’étude sur les muscles synthétiques seront ressentis dans de multiples industries. D’une part, la nouvelle méthode est bien plus accessible que les stratégies de micro‑fabrication précédentes. Les ingénieurs ont noté que n’importe qui pourrait utiliser une imprimante 3D de table disponible dans le commerce pour obtenir des résultats similaires.

Méthode en une étape

La méthode de fabrication améliorée a permis aux ingénieurs de structurer la microtopographie de diverses tailles et configurations sur la surface des hydrogels en une seule étape. De plus, le STAMP peut être nettoyé à l’aide de bains à ultrasons et réutilisé plusieurs fois, ce qui augmente son rapport coût‑efficacité.

Précision

Le système permet aux ingénieurs de cultiver des fibres musculaires squelettiques de souris et d’humain sans nuire à leur maturation ou à leur fonction. Notamment, l’équipe a déclaré pouvoir faire pousser des muscles dans presque n’importe quel motif afin d’accomplir des mouvements complexes.

Durable

Un autre avantage majeur de ce type d’actionneur est son potentiel de biodégradabilité, tout comme les humains. Cette approche aidera à éviter une situation où les décharges du futur seraient remplies de robots précoces obsolètes, devenus inutiles à mesure que la technologie progresse.

Équipe de recherche et soutien financier

Les ingénieurs du MIT, dirigés par Ritu Raman, sont les auteurs de l’étude. L’article a été co‑écrit par Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa et Pavankumar Umashankar. Un soutien supplémentaire au projet a été fourni par Roi Habba, Oren Tchaicheeyan et Ayelet.

Les subventions financières pour le projet proviennent de la National Science Foundation des États‑Unis, de l’Office of Naval Research des États‑Unis, de l’Army Research Office des États‑Unis et des National Institutes of Health des États‑Unis.

Applications et perspectives futures pour les actionneurs basés sur STAMP

Il existe de nombreuses applications pour les actionneurs musculaires bio‑ingénierés, allant de la médecine à la robotique. La méthode STAMP réduit les coûts et ouvre la porte à une production à grande échelle. Ainsi, vous pouvez vous attendre à entendre beaucoup plus parler des robots alimentés par des muscles synthétiques dans les prochains mois.

Robotique souple

La robotique souple est un domaine émergent aux possibilités infinies. Ces robots diffèrent de leurs homologues car ils n’utilisent pas de structures rigides. En conséquence, ils sont bien adaptés aux tâches nécessitant un design non conformiste et la capacité d’accéder à des zones complexes et difficiles d’accès. Déjà, les ingénieurs cherchent à concevoir un poisson qui fonctionne de façon similaire à ses homologues naturels plutôt que d’utiliser des hélices pour la propulsion.

Traitements médicaux

Le domaine médical bénéficierait grandement de cette technologie. Les ingénieurs prévoient que la technologie sera utilisée pour cultiver d’autres types de tissus biologiques, tels que les neurones et les cellules cardiaques. Ces alternatives cultivées en laboratoire pourraient être utilisées pour traiter les personnes souffrant de troubles neuromusculaires et plus encore.

De plus, la technique pourrait aider à améliorer la capacité des chercheurs à reproduire le tissu humain pour les tests et le développement de médicaments. Les méthodes actuelles de culture de cellules pour les tests de traitements médicamenteux sont lentes et nécessitent beaucoup de temps. Cette approche permet une fabrication rapide et à faible coût.

Calendrier estimé pour l’adoption

Vous pouvez vous attendre à voir cette technologie émerger commercialement dans les 5 à 10 années à venir, selon les conditions du marché. Actuellement, il y a une forte poussée pour rendre les robots plus capables et plus efficaces. Les muscles synthétiques permettent cela et peuvent être conçus pour se renforcer avec une utilisation répétée, tout comme vos muscles.

Cette percée récente ouvre la porte aux ingénieurs des meilleures entreprises de robotique pour expérimenter la création de conceptions plus légères et plus efficaces. La technologie pourrait remplacer la plupart des actionneurs, offrant une alternative fiable qui renforce les performances avec une utilisation accrue.

Robotique disruptive en action: entreprises publiques à surveiller

Alors que l’actionneur bio‑hybride de l’équipe du MIT reste en phase de recherche, ses implications potentielles se répercutent sur plusieurs industries — notamment la robotique souple, les systèmes autonomes et le génie biomédical. Les investisseurs souhaitant capitaliser sur les avancées en conception et fonction robotique pourraient envisager des entreprises établies innovant dans des domaines adjacents. Un acteur de ce type est Oceaneering International, Inc., un leader reconnu dans la robotique sous‑marine et à distance.

Oceaneering International Inc

Oceaneering International, Inc. (OII ) est entrée sur le marché en 1964, cherchant à fournir des équipements de plongée sous‑marins haut de gamme et des robots aux clients commerciaux. L’entreprise est basée à Houston, Texas, et est considérée comme un fournisseur de premier plan de véhicules marins, spatiaux et autres véhicules environnementaux sans pilote.

Depuis son lancement, Oceaneering International, Inc. a connu une croissance massive. Aujourd’hui, l’entreprise propose une multitude de services couvrant les drones, le matériel sous‑marin, l’équipement pétrolier, les systèmes en eaux profondes, et bien plus encore. L’entreprise emploie actuellement 10 400 personnes et est l’un des noms les plus reconnaissables de son secteur.

Ceux qui souhaitent s’exposer au secteur de la robotique devraient approfondir leurs recherches sur Oceaneering International, Inc. Son action, OII, continue de grimper parallèlement aux revenus annuels de l’entreprise. La société possède actuellement une capitalisation boursière de 2,25 milliards de dollars, que les analystes prévoient d’élargir à mesure que la demande pour les drones sous‑marins augmente.

À mesure que les technologies de muscles synthétiques mûrissent, des entreprises comme Oceaneering pourraient bénéficier d’innovations croisées dans la performance des actionneurs et la miniaturisation — en faisant une action à surveiller dans l’écosystème robotique plus large.

Dernières nouvelles sur Oceaneering International

Obstacles à surmonter pour l’adoption

Il existe de nombreux obstacles que les ingénieurs devront désormais aborder. Ils chercheront à améliorer le processus de fabrication et même à mettre en place des modèles pour aider d’autres chercheurs à lancer leurs projets plus rapidement.

Il y aura également des ralentissements réglementaires concernant l’intégration de la technologie dans le secteur de la santé. Ces contrôles et tests prendront plus de temps que les utilisations robotiques commerciales, mais ils sont nécessaires pour garantir que les produits soient d’une sécurité optimale.

Les muscles synthétiques pourraient alimenter les vélos électriques de demain et au-delà

Lorsque vous examinez les capacités des muscles synthétiques, il est facile d’imaginer un futur où ces actionneurs deviendront plus populaires que leurs homologues mécaniques. Ils consomment moins d’énergie, sont plus faciles à fabriquer et sont plus légers. Ainsi, les ingénieurs du MIT méritent un salut pour leurs efforts qui pourraient révolutionner la robotique à l’avenir.

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Études référencées:

^{1. Rossy, T., Schwendeman, L., Kohli, S., Bawa, M., Umashankar, P., Habba, R., Tchaicheeyan, O., Lesman, A., & Raman, R. (2025). Exploiter la microtopographie pour structurer des actionneurs musculaires multi-orientés. Biomaterials Science. https://doi.org/10.1039/d4bm01017e}