Los tendones artificiales dan un impulso a los robots impulsados ​​por músculos

Nuestros músculos son los actores de la naturaleza. El tejido nervudo es el que genera la fuerza que hace que nuestro cuerpo se mueva. En los últimos años, los ingenieros han utilizado tejido muscular real para accionar “robots biohíbridos” hechos de tejido vivo y piezas sintéticas. Al combinar músculos cultivados en laboratorio con esqueletos sintéticos, los investigadores están creando una colección de rastreadores, caminantes, nadadores y agarradores impulsados ​​por músculos.

Pero en su mayor parte, estos diseños están limitados en la cantidad de movimiento y potencia que pueden producir. Ahora, los ingenieros del MIT pretenden dar a los biobots un impulso de potencia con tendones artificiales.

En un estudio que aparece hoy en la revista ciencia avanzada, Los investigadores desarrollaron tendones artificiales hechos de hidrogel duro y flexible. Unieron los tendones de forma similar a una banda elástica en cada extremo de un pequeño trozo de músculo cultivado en laboratorio, formando una “unidad músculo-tendón”. Luego conectaron los extremos de cada tendón artificial a los dedos de una pinza robótica.

Cuando se estimula la contracción del músculo central, los tendones juntan el dedo de agarre. El robot aprieta los dedos tres veces más rápido, con una fuerza 30 veces mayor, en comparación con el mismo diseño sin los tendones conectados.

Los investigadores imaginan que la nueva unidad músculo-tendón podría encajar en una amplia gama de diseños de robots biohíbridos, como un componente de ingeniería universal.

“Estamos introduciendo tendones artificiales como conectores intercambiables entre actuadores musculares y esqueletos robóticos”, dijo el autor principal Ritu Raman, profesor asistente de ingeniería mecánica (MechE) en el MIT. “Esta modularidad podría facilitar el diseño de una amplia gama de aplicaciones robóticas, desde herramientas quirúrgicas a microescala hasta vehículos exploratorios autónomos adaptables”.

Los coautores del estudio del MIT incluyen a los estudiantes de posgrado Nicolas Castro, Maheera Bawa, Bastien Aymon, Sonika Kohli y Angel Bu; la soltera Annika Marschner; el postdoctorado Ronald Heisser; las exalumnas Sarah J. Wu ’19, SM ’21, PhD ’24 y Laura Rosado ’22, SM ’25; y los profesores de MechE Martin Culpepper y Xuanhe Zhao.

Progreso muscular

Raman y sus colegas del MIT están a la vanguardia de la robótica biohíbrida, un campo relativamente nuevo que ha surgido en la última década. Se centran en combinar piezas estructurales robóticas sintéticas y tejido muscular vivo como actuadores naturales.

“La mayoría de los actuadores con los que suelen trabajar los ingenieros son realmente difíciles de hacer pequeños”, dice Raman. “Después de cierto tamaño, la física básica no funciona. Lo bueno del músculo es que cada célula es un actuador independiente que genera fuerza y ​​produce movimiento. Así que, en principio, se podrían fabricar robots que sean realmente pequeños”.

Los actuadores musculares también ofrecen otras ventajas, que el equipo de Raman ya ha demostrado: el tejido puede fortalecerse a medida que se ejercita y puede curarse naturalmente cuando se lesiona. Por estas razones, Raman y otros imaginan que algún día se podrían enviar droides musculares a explorar entornos demasiado remotos o peligrosos para los humanos. Estos robots musculares pueden desarrollar fuerza para superar contingencias o curarse a sí mismos cuando no hay ayuda disponible. Los robots biohíbridos también podrían servir como pequeños asistentes quirúrgicos que realizan delicados procedimientos a microescala dentro del cuerpo.

Todos estos escenarios futuros están motivando a Raman y a otros a encontrar formas de unir músculos vivos con esqueletos sintéticos. Los diseños hasta la fecha han implicado hacer crecer una banda de músculo y unir cada extremo a un esqueleto sintético, similar a enrollar una banda elástica alrededor de dos postes. Cuando se estimula el músculo para que se contraiga, puede juntar las partes del esqueleto para generar el movimiento deseado.

Pero Raman dice que este método produce una gran cantidad de músculo desperdiciado que se utiliza para unir el tejido al esqueleto en lugar de moverlo. Y esta conexión no siempre es segura. El músculo es bastante blando en comparación con la estructura esquelética, y la diferencia puede hacer que los músculos se desgarren o se desgarren. Además, a menudo son sólo las contracciones de la parte central del músculo las que terminan realizando algún trabajo: una cantidad relativamente pequeña y genera poca fuerza.

“Pensamos: ¿cómo podemos dejar de desperdiciar material muscular, hacerlo más modular para que pueda unirse a cualquier cosa y hacer que funcione de manera más eficiente?” Rara vez se dice. “La solución del cuerpo vino con tendones que se encuentran a medio camino entre los músculos y los huesos, lo que permite salvar este desajuste mecánico entre los músculos blandos y el esqueleto rígido. Son como cables delgados que se enrollan alrededor de las articulaciones de manera eficiente”.

“Conexión inteligente”

En su nuevo trabajo, Raman y sus colegas diseñaron tendones artificiales para conectar el tejido muscular natural a un esqueleto de pinza sintético. El material elegido fue el hidrogel, un gel resistente pero a base de polímeros. Raman obtuvo la muestra de hidrogel de su colega y coautor Xuanhe Zhao, quien fue pionero en el desarrollo de hidrogeles en el MIT. El grupo de Zhao ha obtenido recetas para hidrogeles de diferente rigidez y elasticidad que pueden adherirse a muchas superficies, incluidos materiales sintéticos y biológicos.

Para descubrir qué tan duros y elásticos deben ser los tendones artificiales para funcionar en el diseño de la pinza, el equipo de Raman primero modeló el diseño como un sistema simple de tres tipos de resortes, cada uno de los cuales representa el músculo central, los dos tendones que los conectan y el esqueleto de la empuñadura. Dieron una cierta rigidez del músculo y del esqueleto, que ya se conocía, y la usaron para calcular la rigidez de los tendones de conexión que se necesitarían para mover el agarre en la cantidad deseada.

A partir de este modelo, el equipo derivó una receta para hidrogeles con cierta rigidez. Una vez elaborado el gel, los investigadores grabaron cuidadosamente el gel en cables finos para formar tendones artificiales. Colocaron dos tendones en cada extremo de una pequeña muestra de tejido muscular, que cultivaron utilizando técnicas de laboratorio estándar. Luego, cada tendón se envuelve alrededor de un pequeño poste al final de cada dedo en la pinza robótica, un diseño esquelético desarrollado por el profesor de MechE Martin Culpepper, experto en diseño y construcción de máquinas de precisión.

Cuando el equipo animó al músculo a contraerse, los tendones, a su vez, tiraron del agarre juntando los dedos. En varios experimentos, los investigadores descubrieron que el agarre músculo-tendón trabajaba tres veces más rápido y producía 30 veces más fuerza en comparación con cuando el agarre se accionaba con solo una banda de tejido muscular (y sin tendones artificiales). El nuevo diseño basado en el tendón también pudo mantener este rendimiento durante 7.000 ciclos o contracciones musculares.

En general, Raman vio que la adición de tendones artificiales aumentaba la relación potencia-peso del robot 11 veces, lo que significa que el sistema requería mucho menos músculo para realizar la misma cantidad de trabajo.

“Sólo necesitas una pequeña pieza de actuador que esté inteligentemente conectada al esqueleto”, dijo Raman. “Normalmente, si un músculo es muy blando y está adherido a algo con mucha resistencia, simplemente se desgarrará antes de que muevas algo. Pero si lo unes a algo como un tendón que puede resistir el desgarro, realmente puede transmitir su fuerza a través del tendón, y puede mover un esqueleto que de otra manera no sería capaz de mover”.

El nuevo diseño músculo-tendón del equipo combina con éxito biología y robótica, afirma la ingeniera biomédica Simone Schürle-Finke, profesora asociada de ciencias y tecnología de la salud en ETH Zürich.

“Los resistentes tendones de hidrogel crean una arquitectura músculo-tendón-hueso más fisiológica, lo que mejora enormemente la transmisión de fuerza, la durabilidad y la modularidad”, afirma Schürle-Finke, que no participó en el estudio. “Esto mueve el campo hacia sistemas biohíbridos que pueden operarse repetidamente y eventualmente funcionar fuera del laboratorio”.

Una vez instalados los nuevos tendones artificiales, el grupo de Raman está avanzando hacia el desarrollo de otros componentes, como cubiertas protectoras similares a la piel, para permitir robots impulsados ​​por músculos en entornos prácticos del mundo real.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Departamento de Investigación de Defensa de EE. UU., el Comité de Apoyo a la Investigación del MIT y la Fundación Nacional de Ciencias.