ساخت عضله مصنوعی با قابلیت حرکت در چندین جهت!

به گزارش مجله خبری نگار/سینا، محققان MIT نوعی عضله مصنوعی توسعه داده‌اند که می‌تواند در چندین جهت حرکت کند و مانند عنبیه چشم منبسط و منقبض شود. تلاش‌های بسیاری برای ساخت ربات‌های زیست‌هیبریدی انجام شده است ماشین‌هایی که با عضلات پرورش‌یافته در آزمایشگاه به حرکت درمی‌آیند. انعطاف‌پذیری این ربات‌ها می‌تواند به آنها اجازه دهد تا از میان فضا‌های تنگ و پیچیده عبور کنند. اما یک مانع بزرگ در این مسیر وجود داشته است: عضلات مصنوعی موجود فقط در یک جهت نیرو وارد می‌کنند که حرکت آنها را محدود می‌سازد. این مشکل مانند داشتن رباتی است که فقط می‌تواند بازوی خود را خم کند، اما قادر به چرخاندن آن نیست.

اکنون، محققان MIT این محدودیت را برطرف کرده و سیستمی رباتیک با حرکات پیچیده و چندجهته طراحی کرده‌اند. آنها با استفاده از این فناوری، عضله‌ای مصنوعی ساخته‌اند که در چند جهت مختلف حرکت می‌کند و عملکردی مشابه عنبیه چشم دارد. برای اثبات این مفهوم، تیم تحقیقاتی ساختاری عضلانی طراحی کرده است که هم به‌صورت دایره‌ای منقبض می‌شود و هم به‌سمت بیرون گسترش می‌یابد.

تکنیک جدید «مهر زدن» برای ایجاد عضلات مصنوعی

محققان برای ایجاد این ساختار، از تکنیکی جدید به نام «مهر زدن» استفاده کرده‌اند. در این روش، آنها یک مهر بسیار کوچک با شیار‌های میکروسکوپی را با چاپ سه‌بعدی تولید کردند. سپس، این مهر روی یک هیدروژل نرم فشار داده شد تا الگویی برای رشد عضله ایجاد کند. در مرحله بعد، سلول‌های عضلانی واقعی در این شیار‌ها کاشته شدند تا به‌مرور به رشته‌های عضلانی تبدیل شوند. زمانی که این عضلات تحت تحریک قرار گرفتند، منقبض شدند و الیاف آنها در جهت‌های مختلف حرکت کرد.

ریتو رامان، استاد مهندسی بافت در MIT، در این باره می‌گوید: «با طراحی این عنبیه مصنوعی، ما اولین ربات مجهز به عضلات اسکلتی را ساختیم که می‌تواند در بیش از یک جهت نیرو تولید کند. این قابلیت منحصراً از طریق روش مهر زدن امکان‌پذیر شد.»

رامان و تیمش سال‌هاست که روی پرورش و آموزش سلول‌های عضلانی در محیط آزمایشگاهی کار می‌کنند. اما ایجاد عضلات مصنوعی که بتوانند حرکات چندجهته پیش‌بینی‌پذیری داشته باشند، چالشی جدی بوده است.

او توضیح می‌دهد: «یکی از ویژگی‌های جالب بافت‌های عضلانی طبیعی این است که فقط در یک جهت حرکت نمی‌کنند. برای مثال، عضلات دایره‌ای در عنبیه چشم و اطراف نای، یا حتی عضلات دست و پا، در یک راستای مستقیم قرار ندارند، بلکه تحت زاویه‌های مشخصی شکل گرفته‌اند.»، اما تا پیش از این، دانشمندان قادر به بازسازی این الگو‌های چندجهته در عضلات مهندسی‌شده نبودند.

عضلات مصنوعی که مانند عنبیه چشم حرکت می‌کنند

برای حل این مشکل، تیم تحقیقاتی مهر کوچکی را با شیار‌های بسیار ظریف طراحی و چاپ کردند که ابعاد آنها متناسب با اندازه سلول‌های عضلانی بود. سپس، برای جلوگیری از آسیب به هیدروژل هنگام مهر زدن، سطح مهر را با یک لایه پروتئینی پوشاندند. این لایه پروتئینی باعث می‌شد که الگو به‌طور یکنواخت روی هیدروژل منتقل شود و مهر بدون آسیب‌زدن به ژل، از آن جدا شود.

برای نمایش قابلیت این تکنیک، محققان ساختاری مشابه عنبیه چشم انسان ایجاد کردند. این ساختار دارای الیاف عضلانی دایره‌ای و شعاعی بود که امکان باز و بسته‌شدن آن را فراهم می‌کرد. پس از ایجاد این الگو روی هیدروژل، محققان سلول‌های عضلانی اصلاح‌شده ژنتیکی را در آن کاشتند. این سلول‌ها به نور واکنش نشان می‌دهند. تنها ۲۴ ساعت بعد، سلول‌ها درون شیار‌های الگو قرار گرفتند، با یکدیگر ترکیب شدند و به الگوی دقیق عضلات عنبیه شکل گرفتند.

نتیجه شگفت‌انگیز بود، زمانی که این ساختار با نور تحریک شد، عضلات آن مانند یک عنبیه واقعی در چند جهت مختلف منقبض شدند. رامان در پایان می‌گوید: «در این پژوهش، ما نشان دادیم که می‌توان از روش مهر زدن برای ساخت ربات‌هایی استفاده کرد که قابلیت‌هایی فراتر از ربات‌های عضلانی قبلی دارند. ما در این مطالعه از سلول‌های عضلانی اسکلتی استفاده کردیم، اما هیچ محدودیتی برای استفاده از این تکنیک در انواع دیگر سلول‌ها وجود ندارد.»