חותמת מודפסת תלת מימדית מאפשרת שרירים סינתטיים לרובוטיקה רכה

צוות של חוקרי MIT יצר לאחרונה את מפעיל השרירים הסינטטי הראשון שיכול להתכופף למספר כיוונים. מחקר זה פותח את הדלת לרובוטים רכים בעלי יכולת גבוהה יותר ופריצות דרך רפואיות מתקדמות אחרות. הנה איך הצוות השתמש בשיטת הדפסה תלת מימדית חדשה, לצד בולים שנעשו במיוחד, כדי לגדל שרירים סינתטיים במעבדה שיכולים לשחזר את הדבר האמיתי.

הבנת ארכיטקטורת שרירים ותנועה

כדי להבין למה אתה לא יכול פשוט ליצור מנוע שעושה את מה ששריר עושה, תחילה עליך לבחון כיצד הגוף שלך פועל. כאשר אתה מזיז את היד שלך, קורה הרבה יותר מאשר רק השרירים שלך מושכים לכיוון אחד. סיבי שריר שלד רב-כיווני רבים יוצרים דפוסים מורכבים והם מורכבים בזוויות כדי לייצר את התנועות המדויקות של גוף האדם.

הטבע יעיל להפליא, ולאורך מיליארדי שנות אבולוציה, היה לו זמן לתקן את רוב השגיאות בצורה ופעולות. לכן מהנדסים מסתכלים לעתים קרובות על הטבע כדי למצוא השראה לעיצובים שלהם. לאחרונה, מדענים התעמקו בגידול סיבי שריר השלד.

מפעילי שרירים ביו-היברידיים ומגבלותיהם

סיבים אלו מתכווצים כאשר מופעל מטען חשמלי. כאשר המטען מוסר, השרירים נרגעים, מה שמאפשר לבצע פעולות חוזרות. מפעילים ביו-היברידיים רכים אלו מספקים יעילות אנרגטית, יכולת הסתגלות, וניתן להגדיר אותם כך שיתאימו כמעט לכל גורם צורה. עם זאת, הם לא אידיאליים מכמה סיבות.

אתגרים עם שיטות ייצור שרירים סינתטיים קיימות

לעיצוב הנוכחי של מפעילי שרירים סינתטיים יש טווח תנועה מוגבל. ברוב היישומים, השריר הסינטטי מחובר בין שתי נקודות. סידור זה מאפשר רק לשריר למשוך או להירגע לאורך הנקודות הרכובות.

בנוסף, זה יקר להפליא לגדל מפעילים סינתטיים. התהליך הנוכחי של יצירת מאפיינים טופוגרפיים בקנה מידה מיקרוסקופי בהידרוג'לים של מטריקס חוץ-תאיים דורש ציוד מיוחד. כמו כן, זהו תהליך רב-שלבי הדורש מחברות לשכור מומחים בתחום המיקרו-ייצור.

הכירו את STAMP: שיטת ייצור חדשה למפעילי שרירים סינתטיים

חוקרי MIT רצו להדגים שיטה טובה יותר ליצירת שרירים סינתטיים באמצעות שיטת הטבעה חדשה. המחקר"מינוף מיקרוטופוגרפיה לדפוס מפעילי שרירים רב-אוריינטציה"¹ פורסם בכתב העת Biomaterials Science.

זה מדגיש כיצד הצוות הצליח להשתמש בהצלחה בהדפסת תלת מימד מתקדמת כדי ליצור שיטה יעילה ובמחיר סביר יותר לגידול רקמות מלאכותיות המשכפלות את המורכבות הארכיטקטונית של רקמות אמיתיות כמו שרירי הקשתית שלך.

מתודולוגיית STAMP וגישת הדפסה תלת מימדית

כחלק מהמחקר שלהם, המדענים יצרו את שיטת הייצור STAMP (תבנית פשוטה של ​​מפעילים באמצעות דפוס מיקרו-טופוגרפי) כדי לספק ייצור אמין. יש לציין שהחותמת תוכננה כך שתתאים לצלחות זמינות סטנדרטיות של 24 בארים. לאחר מכן, הצוות השתמש במתקני הדפסת תלת מימד ברמת דיוק גבוהה ב-MIT.nano כדי ליצור מיקרו-חריצים מיושרים אנכית (3°) לתוך יציקות הידרוג'ל.

מחצלת הידרוג'ל

נוצר מחצלת הידרוג'ל תכליתית שנועדה לעודד צמיחת תאים. ההידרוג'ל הוא חומר רך, אך ניתן להגדיר אותו עם חריצים או עיצובים אחרים כדי לשנות את צמיחת התא. יש לציין כי עיצוב מחצלת ההידרוג'ל דומה מאוד לעבודה הקודמת של החוקר, שבה נעשה שימוש בחומר דומה לגידול שריר סינטטי ולחיזוקו.

מקור - MIT

ציפוי אנטי-סטיק

כמו אופה מנוסה, המהנדסים שמו ציפוי נון-סטיק על הבולים שלהם. ציפוי זה היה עשוי מחלבון שתמך בדפוסים בנאמנות גבוהה של רמזים מיקרו-טופוגרפיים מבלי להיקרע. מעניין לציין שהצוות עיקר את כרית ההחתמה באמצעות מערכות UV לפני השריית החותמות למשך שעה בתמיסת אלבומין בסרום בקר 1% כמונע עובש.

מודלים חישוביים של מפעילי שרירים מרובי-אוריינטציה

בליבת הניסוי עמדה הדמיית מחשב בנוי המומחיות של הצוות. הצוות יצר את המודל כדי לאפשר להם לשפר את ניסיונות הבדיקה והניסויים שלהם. הדמיה מתקדמת זו אפשרה לצוות לחקור כיצד דפוסים מיקרו-טופוגרפיים השפיעו על יעילות יישור השרירים.

הם גם יכלו להשקיע זמן בחקר פרטים מרכזיים כמו מורפולוגיה של סיבים ותפקוד התכווצות במיובלסטים של עכברים ובני אדם. משם, הצוות חקר כיצד גודל התא וגודל החריץ משפיעים על יישור השרירים והעיצוב הכללי. באופן מרשים, תוצאות הבדיקה תאמו את תוצאות הדמיית המחשב, והדגישו את השימושיות והדיוק שלה.

בדיקת מפעיל השרירים הרב-כיווני בהשראת הקשתית

כדי לבחון את התיאוריה שלהם, המהנדסים החליטו לקחת השראה משריר מורכב בעין שלכם. שרירי הקשתית שלך מאפשרים לו להסתגל למספר כיוונים כדי לקבל את כמות האור הנכונה. השרירים הללו יכולים לנוע באופן קונצנטרי ורדיאלי, תלוי במה אתה מתמקד ובתנאים סביבתיים אחרים.

המהנדסים תכננו תבנית שמינפה סיבי שריר מעגליים מסודרים באופן קונצנטרי שישבו על סיבים במיקום רדיאלי. בעיניך, העיצוב המורכב הזה מאפשר מיקוד עדין והתאמות תוך כדי תנועה.

יש לציין שבניסוי זה, הקשתית המלאכותית מפוברקת עם תאי שריר שלד רצוניים, השונים מתאי שריר חלק בלתי רצוניים המצויים בגופנו. מעניין לציין שהמהנדסים ציינו שגם מיובלסטים של עכברים וגם אנושיים זרעו סיבי שריר שלד אופטוגנטיים שגדלו על מצע קשתית STAMPed החלו להתמזג לסיבים תוך 24 שעות.

יהי אור

סיבי השריר הצליחו להבשיל במלואו לכדי העתק מתאים של הקשתית, והדגימו כיצד התהליך החדש יכול ליצור עיצובים מורכבים בעת הצורך. שלא כמו מפעילי שרירים ביורובוטיים קודמים, גרסה חדשה זו עברה שינוי גנטי כדי להתאים בעת חשיפה לאור.

הגדרה זו מאפשרת למהנדסים לאתר איזה שריר להפעיל בדיוק באמצעות קרני אור. הבחירה להשתמש באזורים מופרדים מרחבית של סיבי שריר קונצנטריים ורדיאליים אפשרה למהנדסים לשלוט בהתכווצות אישונים באזורים קונצנטריים גם בנפרד.

תוצאות: הפעלה ואימות רב-כיווני

המהנדסים ערכו מספר ניסויים כדי להציג את יצירתם וכיצד היא מעודדת תאי שריר לגדול ולהתמזג לסיבים. השריר הסינטטי התכווץ למספר כיוונים כאשר הוא מגורה על ידי מקורות אור. יש לציין שהבדיקה אפשרה לצוות להצליח להיות הראשון להדגים רובוט המופעל על שרירי השלד שיוצר כוח רב כיווני.

תוצאות הבדיקה הראו שהצוות שיחזר בהצלחה את פריסת הקשתית והיכולות. תוצאות בדיקה אלו מראות כיצד שיטת STAMP מאפשרת תכנון, יצירה ובדיקה של מפעילים רכים שרירים סינתטיים רב-כיווניים ביעילות רבה יותר.

יתרונות שיטת STAMP להנדסת שרירים

היתרונות של מחקר השרירים הסינתטיים יורגשו בתעשיות מרובות. ראשית, השיטה החדשה נגישה הרבה יותר מאסטרטגיות הייצור המיקרו קודמות. המהנדסים ציינו שכל אחד יכול להשתמש במדפסת תלת מימד שולחנית זמינה מסחרית כדי להשיג תוצאות דומות.

שיטה חד-שלבית

שיטת הייצור המשופרת אפשרה למהנדסים לדפוס מיקרוטופוגרפיה בגדלים ותצורות שונות על פני השטח של הידרוג'לים בשלב אחד. בנוסף, ניתן לנקות את ה-STAMP באמצעות אמבטיות קוליות ולעשות שימוש חוזר פעמים רבות, מה שמוסיף לחסכוניות שלו.

דיוק

המערכת מאפשרת למהנדסים לגדל סיבי שריר עכברים ושלד אנושיים מבלי להשפיע לרעה על התבגרותם או תפקודם. יש לציין כי הצוות הצהיר שהוא יכול להצמיח שרירים כמעט בכל דפוס כדי לבצע תנועות מורכבות.

בר קיימא

יתרון מרכזי נוסף של סוג זה של מפעילים הוא שיש לו פוטנציאל להיות מתכלה, בדיוק כמו בני אדם. גישה זו תסייע להבטיח שאנשים יימנעו ממצב של טלפונים סלולריים שבו מזבלות העתיד מלאות ברובוטים מוקדמים מיושנים שהתיישנו ככל שהטכנולוגיה השתפרה.

צוות מחקר ותמיכה במימון

מהנדסי MIT, בראשות ריטו רמאן, חיברו את המחקר. המאמר נכתב בשיתוף תמרה רוסי, לורה שוונדמן, סוניקה קולי, Maheera Bawa, ו-Pavankumar Umashankar. תמיכה נוספת בפרויקט ניתנה על ידי רועי הבבה, אורן צ'ייחיאן ואיילת.

מענקים כספיים לפרויקט הגיעו מהקרן הלאומית למדע של ארה"ב, המשרד האמריקאי למחקר ימי, משרד המחקר של צבא ארה"ב והמכוני הבריאות הלאומיים של ארה"ב.

יישומים ותחזית עתידית עבור מפעילים מבוססי STAMP

ישנם יישומים רבים עבור מפעילי שרירים ביו-מהנדסים, החל מרפואה ועד רובוטיקה. שיטת STAMP מפחיתה עלויות ופותחת את הדלת לייצור בקנה מידה גדול. ככזה, אתה יכול לצפות לשמוע הרבה יותר על רובוטים מונעי שרירים סינתטיים בחודשים הקרובים.

רובוטיקה רכה

רובוטיקה רכה היא תחום מתפתח שיש לו אינסוף אפשרויות. רובוטים אלה נבדלים מעמיתיהם בכך שהם אינם משתמשים במבנים קשיחים. ככאלה, הם מתאימים היטב למשימות הדורשות עיצוב לא תואם ויכולת לשנות את הגישה למקומות מורכבים וקשים לגישה. כבר עכשיו, מהנדסים מחפשים לעצב דג שפועל באופן דומה למקביליו הטבעיים במקום להשתמש במדחפים להנעה.

טיפולים רפואיים

התחום הרפואי ירוויח מאוד מהטכנולוגיה הזו. מהנדסים צופים שהטכנולוגיה תשמש לגידול סוגים אחרים של רקמות ביולוגיות, כמו נוירונים ותאי לב. ניתן להשתמש בחלופות אלה שצמחו במעבדה לטיפול באלה הסובלים מהפרעות עצב-שריר ועוד.

בנוסף, הטכניקה יכולה לעזור לשפר את יכולתם של חוקרים לשכפל רקמות אנושיות לצורך בדיקות ופיתוח תרופות. השיטות הנוכחיות לגידול תאים לבדיקת טיפול תרופתי הן איטיות ודורשות זמן רב. גישה זו מאפשרת ייצור מהיר ובעלות נמוכה.

ציר זמן משוער לאימוץ

אתה יכול לצפות לראות את הטכנולוגיה הזו מתחילה להופיע מסחרית ב-5-10 השנים הבאות, בהתאם לתנאי השוק. נכון לעכשיו, יש דחיפה חזקה להפוך רובוטים ליכולים ויעילים יותר. שרירים סינתטיים מאפשרים משימה זו וניתן לעצב אותם בשימוש חוזר, בדיוק כמו השרירים שלך.

פריצת הדרך האחרונה הזו פותחת את הדלת למהנדסים בחברות רובוטיקה מובילות להתנסות ביצירת עיצובים קלים ויעילים יותר. הטכנולוגיה יכולה להחליף את רוב המפעילים, ולספק אלטרנטיבה אמינה שיכולה לחזק את הביצועים עם שימוש רב יותר.

רובוטיקה משבשת בפעולה: חברות ציבוריות לצפייה

בעוד שהמפעיל הביו-היברידי של צוות MIT נשאר בשלב המחקר, ההשלכות הפוטנציאליות שלו מתפרצות בין תעשיות - בעיקר רובוטיקה רכה, מערכות אוטונומיות והנדסה ביו-רפואית. משקיעים המעוניינים לנצל את ההתקדמות בעיצוב ובתפקוד רובוטי עשויים לשקול חברות מבוססות לחדש בחללים סמוכים. שחקן אחד כזה הוא Oceaneering International, Inc., מובילה מוכרת בתחום רובוטיקה בים עמוק ומרחוק.

Oceaneering International Inc

חברת Oceaneering International, Inc. (OII +% 0.92) נכנס לשוק בשנת 1964, בניסיון לספק ציוד צלילה בים עמוק ורובוטים ברמה גבוהה לקהל לקוחות מסחרי. החברה מבוססת מיוסטון, טקסס, ונחשבת לספקית מובילה של כלי רכב ימיים, חלל וכלי רכב סביבתיים בלתי מאוישים.

מאז השקתה, Oceaneering International, Inc. ראתה צמיחה מסיבית. כיום, החברה מספקת שפע של שירותים המכסים רחפנים, חומרה תת-ימית, ציוד לשדות נפט, מערכות מים עמוקים ועוד ועוד. החברה מעסיקה כיום 10,400 עובדים והיא אחד השמות המוכרים ביותר במגזר שלה.

מי שמחפש חשיפה למגזר הרובוטיקה צריך לעשות מחקר נוסף על Oceaneering International, Inc. מנייתה, OII, ממשיכה לטפס לצד ההכנסות השנתיות של החברה. לפירמה יש כיום שווי שוק של 2.25 מיליארד דולר, אשר אנליסטים צופים כי יתרחב ככל שהביקוש לרחפנים בים עמוק יגדל.

ככל שטכנולוגיות שרירים סינתטיות מתבגרות, חברות כמו Oceaneering יכולות להפיק תועלת מחידושי מוצלב בביצועי מפעילים ובמזעור - מה שהופך אותן למניה לצפייה במערכת האקולוגית הרחבה יותר של רובוטיקה.

האחרון ב- Oceaneering International

מכשולים שיש להתגבר עליהם לאימוץ

ישנם מכשולים רבים שהמהנדסים יצטרכו כעת להתמקד בהם. הם יבקשו לשפר את תהליך הייצור ואף להגדיר תבניות שיעזרו לחוקרים אחרים להוציא את הפרויקטים שלהם לדרך מהר יותר.

יהיו גם האטות רגולטוריות בכל הנוגע לשילוב הטכנולוגיה במגזר הבריאות. בדיקות ובדיקות אלו יידרשו זמן רב יותר משימושים רובוטיים מסחריים אך נחוצים כדי להבטיח שהמוצרים יהיו בעלי בטיחות ברמה הגבוהה ביותר.

שרירים סינתטיים יכולים להניע את האופניים האלקטרוניים של מחר ומעבר לכך

כאשר אתה בוחן את היכולות של שרירים סינתטיים, קל לראות עתיד שבו מפעילים אלה הופכים פופולריים יותר מאשר עמיתיהם המבוססים על מכנית. הם צורכים פחות אנרגיה, ניתן להקל עליהם, והם קלים יותר. ככזה, מהנדסי MIT ראויים להצדעה על מאמציהם שיכולים לחולל מהפכה ברובוטיקה קדימה.

למד על פרויקטים מגניבים אחרים של רובוטיקה עַכשָׁיו.

מחקרים שהוזכרו:

^{1. Rossy, T., Schwendeman, L., Kohli, S., Bawa, M., Umashankar, P., Habba, R., Tchaicheeyan, O., Lesman, A., & Raman, R. (2025). מינוף מיקרוטופוגרפיה לדפוס מפעילי שרירים רב-אוריינטציה. מדע ביו-חומרים. https://doi.org/10.1039/d4bm01017e}