Rendu d'artiste d'une nouvelle génération de biobots, des dispositifs robotiques souples alimentés par des tissus musculaires squelettiques stimulés par des motoneurones embarqués. Crédit :Michel Vincent
Les chercheurs ont développé des dispositifs robotiques souples pilotés par le tissu neuromusculaire qui se déclenchent lorsqu'ils sont stimulés par la lumière, rapprochant ainsi l'ingénierie mécanique du développement de biobots autonomes.
En 2014, Des équipes de recherche dirigées par le professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie Taher Saif et le professeur de bio-ingénierie Rashid Bashir de l'Université de l'Illinois ont travaillé ensemble pour développer les premiers biobots de natation et de marche biohybrides automoteurs alimentés en battant des cellules musculaires cardiaques dérivées de rats.
"Notre première étude sur les nageurs a démontré avec succès que les robots, modelé sur les spermatozoïdes, pouvait en fait nager, " a déclaré Saif. " Cette génération de robots à queue unique utilisait un tissu cardiaque qui bat tout seul, mais ils ne pouvaient pas sentir l'environnement ni prendre de décision."
Dans une nouvelle étude publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences et dirigé par Saif, les chercheurs font la démonstration d'une nouvelle génération de robots à deux queues alimentés par le tissu musculaire squelettique stimulé par les motoneurones embarqués. Les neurones ont des propriétés optogénétiques :Lors d'une exposition à la lumière, les neurones se déclenchent pour actionner les muscles.
"Nous avons appliqué une culture cellulaire de neurones optogénétiques, dérivé de cellules souches de souris, adjacent au tissu musculaire, " a déclaré Saif. "Les neurones ont avancé vers le muscle et ont formé des jonctions neuromusculaires, et le nageur s'est assemblé tout seul."
Après avoir confirmé que le tissu neuromusculaire était compatible avec leurs squelettes de biobots synthétiques, l'équipe a travaillé pour optimiser les capacités du nageur.
L'équipe de recherche comprend, de gauche, professeur Taher Saif, étudiant diplômé Onur Aydin, étudiant diplômé Xiastian Zhang, professeur Mattia Gazzola, étudiant diplômé Gelson J. Pagan-Diaz, assise, et professeur et doyen du Grainger College of Engineering, Rachid Bashir. Crédit :L. Brian Stauffer
"Nous avons utilisé des modèles informatiques, dirigé par le professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie Mattia Gazzola, déterminer quels attributs physiques conduiraient à la nage la plus rapide et la plus efficace, " dit Saif. " Par exemple, nous avons examiné les variations du nombre de queues et de longueurs de queue pour une conception la plus efficace du nageur biohybride."
"Compte tenu du fait que les actionneurs biologiques, ou des biobots, ne sont pas aussi matures que les autres technologies, ils sont incapables de produire de grandes forces. Cela rend leur mouvement difficile à contrôler, " a déclaré Gazzola. " Il est très important de concevoir avec soin l'échafaudage autour duquel les biobots se développent et avec lesquels ils interagissent pour tirer le meilleur parti de la technologie et réaliser les fonctions de la locomotive. Les simulations informatiques que nous exécutons jouent un rôle essentiel dans cette tâche, car nous pouvons couvrir un certain nombre de conceptions possibles et sélectionner uniquement les plus prometteuses pour les tester dans la vie réelle. »
"La capacité de piloter l'activité musculaire avec des neurones ouvre la voie à une intégration plus poussée des unités neurales dans les systèmes biohybrides, " Dit Saif. " Compte tenu de notre compréhension du contrôle neural chez les animaux, il peut être possible d'aller de l'avant avec la conception neuromusculaire biohybride en utilisant une organisation hiérarchique des réseaux de neurones. »
Saif a déclaré que lui et son équipe envisageaient cette avancée conduisant au développement de systèmes vivants modifiés multicellulaires avec la capacité de répondre intelligemment aux signaux environnementaux pour les applications en bio-ingénierie, technologies de la médecine et des matériaux d'auto-guérison.
Cependant, l'équipe reconnaît que, comme les organismes vivants, aucune machine biohybride ne se développera pour être exactement la même.
"Tout comme les jumeaux ne sont pas vraiment identiques, deux machines conçues pour remplir la même fonction ne seront pas les mêmes, " a déclaré Saif. " L'un peut se déplacer plus rapidement ou guérir des dommages différemment de l'autre - un attribut unique des machines vivantes. "
