Im Labor gezüchtetes Skelettmuskelgewebe kann sich zwar zusammenziehen, bislang aber oft nur so wenig, dass die Bewegung kaum sichtbar ist. Für biohybride Roboter, die sich mit lebenden Muskeln bewegen sollen, ist das ein Problem. Forschende der ETH Zürich konnten nun zeigen, dass nicht allein die Menge des Muskelgewebes entscheidend ist, sondern vor allem, wie Muskel und künstliches Gerüst zusammenspielen.
Ihre sogenannten Bioaktuatoren kombinieren lebendes Skelettmuskelgewebe, das aus Muskelzellen von Mäusen gezüchtet wurde, mit einem weichen Hydrogel-Gerüst. Das ist ein weiches, wasserreiches Material, das sich ähnlich flexibel verformen lässt wie biologisches Gewebe. Das Neue daran ist, dass beide Teile gemeinsam als ein System konzipiert sind. Wie viel Muskelgewebe wo sitzen soll, und wie das Hydrogel-Gerüst beschaffen sein muss, berechneten sie zunächst mittels Computersimulation.
Aiste Balciunaite und Mike Y. Michelis entwickelten dafür gemeinsam einen neuen Ansatz. Dabei werden Muskel und Gerüst von Anfang an zusammen entworfen. Balciunaite, Doktorandin am Soft Robotics Lab von ETH-Professor Robert Katzschmann, erklärt: „Anstatt eine feste Form für unsere Muskelgeometrie festzulegen, wollten wir das Ganze von Grund auf neu am Computer entwerfen.“
Verformung ist mit bloßem Auge sichtbar
Dafür entwarfen die Forschenden die Anordnung des Muskelgewebes und das Gerüst nicht nacheinander, sondern gemeinsam am Computer. Ein Algorithmus suchte nach Anordnungen, bei denen die Kontraktion des Muskels eine möglichst große Bewegung des gesamten Bauteils erzeugt. Anschließend stellten die Forschenden die berechneten Muskelantriebe im Labor her und überprüften sie experimentell. Die Gerüste wurden mithilfe einer als „Xolographie“ bezeichneten Technik per 3D-Druck unter Einsatz von Licht hergestellt, was pro Gerüst etwa eine Minute dauert.
„Selbstverständlich war es ein iterativer Prozess“, erinnert sich Balciunaite. Die Experimente lieferten Informationen zu Materialeigenschaften und Herstellungsbedingungen, die wiederum in die Simulation im Computer einflossen.
Entstanden sind rund 1,5 cm lange sogenannte Bioaktuatoren. Das sind Antriebe aus lebendem Muskelgewebe und einem künstlichen Hydrogel-Gerüst. Sie können sich so stark verformen, dass die Bewegung mit bloßem Auge sichtbar ist. Die Forschenden berichten von einem bis zu elfmal größeren Bewegungsumfang als bei früheren Systemen mit vergleichbarer Muskelmenge. „Bei bisherigen Systemen musste man teilweise unter dem Mikroskop hinschauen, um die Verformung zu erkennen“, sagt Balciunaite.
Springen, schwimmen, greifen
Die neu entwickelten Bioaktuatoren können springen, schwimmen, sich über den Boden bewegen und Gegenstände greifen. Am meisten beeindruckt hat Balciunaite dabei das Springen. Dies sei eine eher ungewöhnliche Bewegung und verlange eine besonders starke Verformung. Gerade dieser Versuch zeige, wie wichtig das Zusammenspiel zwischen dem lebenden Muskel und dem weichen künstlichen Gerüst sei.
Mit einer einzigen Kontraktion hebt sich der Aktuator etwa 5 mm vom Boden der Schale ab, das entspricht einem Drittel seiner Körperlänge. Eine gehende Version legt 6,2 mm pro Sekunde zurück und ist damit im Verhältnis zu ihrer Körperlänge schneller als jeder bisher bekannte laufende Biohybrid-Roboter.
Dass sich die kleinen Roboter so stark bewegen können, liegt nicht nur am Muskelgewebe. Entscheidend ist, dass Muskel und Gerüst eine durchgehende, feste Verbindung bilden. Feine Rillen im Gerüst helfen dem Gewebe, sich fest zu verankern und seine Muskelfasern auszurichten. So geht möglichst wenig der Muskelkraft verloren, wenn sie auf das Gerüst übertragen wird.
Der Weg aus dem Labor ist noch weit
Allerdings sind die biohybriden Roboter vorerst auf eine Nährflüssigkeit angewiesen, in der ihr Muskelgewebe überleben kann. Von einem langfristig einsetzbaren Roboter sind die Forschenden noch weit entfernt. Katzschmann erklärt, dass es für größere Systeme eine Art künstliche Blutversorgung braucht: ein Gefäßsystem, das Sauerstoff und Nährstoffe ins Gewebe bringt und Abfallstoffe abtransportiert. Dies ist eine der größten Herausforderungen für die weitere Entwicklung.
Eine weitere Herausforderung ist die natürliche Variabilität des lebenden Gewebes. Anders als industriell gefertigte Bauteile verhalten sich die gezüchteten Muskelantriebe nicht alle genau gleich. Die Forschenden wollen deshalb besser verstehen und kontrollieren, wie sich Muskelgewebe während seiner Reifung im Labor entwickelt.
Warum überhaupt lebende Muskeln?
Für Katzschmann zeigt die Studie vor allem, welches Potenzial im Zusammenspiel von lebendem Gewebe und weichen künstlichen Strukturen steckt. Muskeln können nicht nur Kraft erzeugen. Sie können ihre Form verändern und beeinflussen damit, wie sich ein Körper bewegt und verformt. Die Muskelform selbst wird zu etwas, das Ingenieure gestalten können, anstatt eine feste Einschränkung zu sein, die es zu umgehen gilt.
Die Arbeit zeigt zugleich, wie eng dafür verschiedene Forschungsgebiete zusammenarbeiten müssen. Erst das Zusammenspiel von Zellbiologie, Materialwissenschaft, Robotik und computergestütztem Design machte es möglich, Muskelgewebe und künstliches Gerüst als ein gemeinsames System zu entwickeln.
Für Katzschmann liegt darin auch eine längerfristige Perspektive: Robotische Systeme könnten künftig stärker Eigenschaften lebender Organismen nutzen, statt Bewegungen ausschließlich mit herkömmlichen Motoren und starren Bauteilen zu erzeugen. „Wir beginnen gerade erst, Roboter auf eine natürlichere Art zu bauen“, sagt er.
