Pesquisadores desenvolveram tendões artificiais para robôs movidos por músculos. Eles prenderam os tendões em forma de elástico (azul) a cada extremidade de um pequeno pedaço de músculo cultivado em laboratório (vermelho), formando uma “unidade músculo-tendão”. Crédito: Cortesia dos pesquisadores; editado por Notícias do MIT.
Nossos músculos são atuadores da natureza. O tecido musculoso é o que gera as forças que fazem nosso corpo se mover. Nos últimos anos, os engenheiros usaram tecido muscular actual para acionar “robôs biohíbridos” feitos de tecido vivo e peças sintéticas. Ao combinar músculos desenvolvidos em laboratório com esqueletos sintéticos, os pesquisadores estão projetando uma variedade de rastejadores, caminhantes, nadadores e garras movidos por músculos.
Mas na maior parte, esses projetos são limitados na quantidade de movimento e potência que podem produzir. Agora, os engenheiros do MIT pretendem dar aos bio-bots um impulso de força com tendões artificiais.
Em um estudo que apareceu recentemente na revista Ciência Avançada, os pesquisadores desenvolveram tendões artificiais feitos de hidrogel resistente e flexível. Eles prenderam os tendões em forma de elástico em cada extremidade de um pequeno pedaço de músculo cultivado em laboratório, formando uma “unidade músculo-tendão”. Em seguida, conectaram as extremidades de cada tendão synthetic aos dedos de uma pinça robótica.
Quando estimularam a contração do músculo central, os tendões uniram os dedos da pinça. O robô juntou os dedos três vezes mais rápido e com uma força 30 vezes maior, em comparação com o mesmo projeto sem os tendões de conexão.
Os pesquisadores prevêem que a nova unidade músculo-tendão possa ser adaptada a uma ampla gama de designs de robôs biohíbridos, como um elemento de engenharia common.
“Estamos introduzindo tendões artificiais como conectores intercambiáveis entre atuadores musculares e esqueletos robóticos”, diz o autor principal Ritu Raman, professor assistente de engenharia mecânica (MechE) no MIT. “Essa modularidade poderia facilitar o projeto de uma ampla gama de aplicações robóticas, desde ferramentas cirúrgicas em microescala até máquinas exploratórias autônomas e adaptativas.”
Os coautores do estudo no MIT incluem os estudantes de pós-graduação Nicolas Castro, Maheera Bawa, Bastien Aymon, Sonika Kohli e Angel Bu; a estudante Annika Marschner; pós-doutorado Ronald Heisser; ex-alunas Sarah J. Wu e Laura Rosado; e os professores MechE Martin Culpepper e Xuanhe Zhao.
Ganhos musculares
Raman e seus colegas do MIT estão na vanguarda da robótica biohíbrida, um campo relativamente novo que surgiu na última década. Eles se concentram na combinação de peças robóticas estruturais sintéticas com tecido muscular vivo como atuadores naturais.
“A maioria dos atuadores com os quais os engenheiros normalmente trabalham são realmente difíceis de fabricar em tamanho pequeno”, diz Raman. “Depois de um certo tamanho, a física básica não funciona. O bom do músculo é que cada célula é um atuador independente que gera força e produz movimento. Portanto, você poderia, em princípio, fazer robôs realmente pequenos.”
Os atuadores musculares também apresentam outras vantagens, que a equipe de Raman já demonstrou: o tecido pode ficar mais forte à medida que se exercita e pode curar naturalmente quando lesionado. Por estas razões, Raman e outros imaginam que droides musculosos poderiam um dia ser enviados para explorar ambientes que são muito remotos ou perigosos para os humanos. Esses bots musculosos podem aumentar sua força para travessias imprevistas ou curar-se quando a ajuda não estiver disponível. Os bots biohíbridos também podem servir como pequenos assistentes cirúrgicos que realizam procedimentos delicados e em microescala dentro do corpo.
Todos estes cenários futuros estão a motivar Raman e outros a encontrar formas de emparelhar músculos vivos com esqueletos sintéticos. Os projetos até o momento envolveram o crescimento de uma faixa de músculo e a fixação de cada extremidade a um esqueleto sintético, semelhante a amarrar um elástico em torno de dois postes. Quando o músculo é estimulado a se contrair, ele pode unir as partes de um esqueleto para gerar o movimento desejado.
Mas Raman diz que este método produz uma grande quantidade de músculo desperdiçado que é usado para fixar o tecido ao esqueleto, em vez de fazê-lo mover-se. E essa conexão nem sempre é segura. O músculo é bastante macio em comparação com as estruturas esqueléticas, e a diferença pode causar ruptura ou desprendimento do músculo. Além do mais, muitas vezes são apenas as contrações na parte central do músculo que acabam realizando algum trabalho – uma quantidade relativamente pequena e que gera pouca força.
“Pensamos: como podemos parar de desperdiçar materials muscular, torná-lo mais modular para que possa ser anexado a qualquer coisa e fazê-lo funcionar com mais eficiência?” Raman diz. “A solução que o corpo encontrou é ter tendões que estão a meio caminho de rigidez entre o músculo e o osso, que permitem colmatar esta incompatibilidade mecânica entre o músculo mole e o esqueleto rígido. São como cabos finos que envolvem as articulações de forma eficiente.”
“Conectado de forma inteligente”
Em seu novo trabalho, Raman e seus colegas projetaram tendões artificiais para conectar o tecido muscular pure a um esqueleto de pinça sintética. O materials escolhido foi o hidrogel – um gel macio, porém resistente, à base de polímero. Raman obteve amostras de hidrogel de seu colega e coautor Xuanhe Zhao, que foi pioneiro no desenvolvimento de hidrogéis no MIT. O grupo de Zhao derivou receitas para hidrogéis de resistência e elasticidade variadas que podem aderir a muitas superfícies, incluindo materiais sintéticos e biológicos.
Para descobrir o quão resistentes e elásticos os tendões artificiais deveriam ser para funcionarem no design da pinça, a equipe de Raman primeiro modelou o design como um sistema simples de três tipos de molas, cada uma representando o músculo central, os dois tendões de conexão e o esqueleto da pinça. Eles atribuíram uma certa rigidez ao músculo e ao esqueleto, que eram anteriormente conhecidos, e usaram isso para calcular a rigidez dos tendões de conexão que seriam necessários para mover a pinça na quantidade desejada.
A partir dessa modelagem, a equipe derivou uma receita de hidrogel com certa rigidez. Depois que o gel foi feito, os pesquisadores gravaram cuidadosamente o gel em cabos finos para formar tendões artificiais. Eles anexaram dois tendões em cada extremidade de uma pequena amostra de tecido muscular, que cresceram usando técnicas padrão de laboratório. Eles então enrolaram cada tendão em torno de um pequeno poste na extremidade de cada dedo da pinça robótica – um esqueleto desenvolvido pelo professor MechE Martin Culpepper, especialista em projetar e construir máquinas de precisão.
Quando a equipe estimulou a contração do músculo, os tendões, por sua vez, puxaram a pinça para unir os dedos. Ao longo de vários experimentos, os pesquisadores descobriram que a pinça músculo-tendão trabalhava três vezes mais rápido e produzia 30 vezes mais força em comparação com quando a pinça é acionada apenas com uma faixa de tecido muscular (e sem quaisquer tendões artificiais). O novo design baseado em tendões também foi capaz de manter esse desempenho ao longo de 7.000 ciclos, ou contrações musculares.
No geral, Raman percebeu que a adição de tendões artificiais aumentou a relação potência/peso do robô em 11 vezes, o que significa que o sistema exigia muito menos músculos para realizar a mesma quantidade de trabalho.
“Você só precisa de um pequeno pedaço de atuador conectado de forma inteligente ao esqueleto”, diz Raman. “Normalmente, se um músculo é realmente macio e está preso a algo com alta resistência, ele simplesmente se rompe antes de mover qualquer coisa. Mas se você o anexar a algo como um tendão que pode resistir ao rompimento, ele pode realmente transmitir sua força através do tendão e pode mover um esqueleto que não seria capaz de mover de outra forma.”
O novo design de músculo-tendão da equipe combina com sucesso a biologia com a robótica, diz a engenheira biomédica Simone Schürle-Finke, professora associada de ciências da saúde e tecnologia na ETH Zürich.
“Os tendões resistentes de hidrogel criam uma arquitetura músculo-tendão-osso mais fisiológica, o que melhora muito a transmissão de força, durabilidade e modularidade”, diz Schürle-Finke, que não esteve envolvido no estudo. “Isso transfer o campo em direção a sistemas biohíbridos que podem operar repetidamente e, eventualmente, funcionar fora do laboratório.”
Com os novos tendões artificiais instalados, o grupo de Raman está avançando no desenvolvimento de outros elementos, como invólucros protetores semelhantes a pele, para permitir robôs movidos por músculos em ambientes práticos do mundo actual.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa do Exército do Departamento de Defesa dos EUA, pelo Comitê de Apoio à Pesquisa do MIT e pela Nationwide Science Basis.
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