Microscopici robot bioibridi azionati da nervi

I ricercatori hanno sviluppato microscopici robot bioibridi guidati dal tessuto neuromuscolare che si innesca quando vengono stimolati dalla luce, portando l'ingegneria meccanica un passo avanti verso lo sviluppo di biobot autonomi.

Nel 2014, i team di ricerca guidati dal professore di ingegneria meccanica e scienze meccaniche Taher Saif (1) e dal professore di bioingegneria Rashid Bashir (2) dell'Università dell'Illinois hanno lavorato insieme per sviluppare i primi biobot semiautomatici, per il nuoto e la deambulazione semoventi, alimentati dal battito delle cellule muscolari cardiache derivate dai ratti.

“Il nostro primo studio sul biobot nuotatore ha dimostrato con successo che i robot, modellati sulle cellule spermatiche, potevano effettivamente nuotare”, ha detto il professor Taher Saif. “Quella generazione di robot a coda singola utilizzava il tessuto cardiaco che batte da solo, ma non riuscivano a percepire l'ambiente né a prendere alcuna decisione.”

In un nuovo studio pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences (3), diretto dal professore Taher Saif, i ricercatori dimostrano una nuova generazione di robot a due code alimentati dal tessuto muscolare scheletrico stimolato dai motoneuroni di bordo. I neuroni hanno proprietà optogenetiche: dopo l'esposizione alla luce si accendono per attivare i muscoli.

“Abbiamo applicato una coltura di cellule di neuroni optogenetici, derivata dalle cellule staminali del topo, adiacente al tessuto muscolare”, ha detto Taher Saif. “I neuroni avanzarono verso il muscolo e formarono giunzioni neuromuscolari permettendo al biobot nuotatore di muoversi da solo.”

Dopo aver accertato che il tessuto neuromuscolare era compatibile con i loro scheletri di biobot sintetici, il team ha lavorato per ottimizzare le capacità del biobot nuotatore.

“Abbiamo utilizzato modelli computazionali, guidati dal professore di scienze meccaniche e ingegneria Mattia Gazzola, (4) per determinare quali attributi fisici avrebbero portato al nuoto più veloce ed efficiente”, ha detto Taher Saif. “Ad esempio, abbiamo esaminato le variazioni nel numero di code e lunghezze della coda per la progettazione più efficiente del nuotatore bioibrido.”

Il professor Mattia Gazzola spiega: “Dato che gli attuatori biologici o i biobot non sono così avanzati come le altre tecnologie, non sono in grado di produrre grandi risultati. Questo rende difficile il controllo dei loro movimenti. È molto importante progettare con attenzione la matrice con cui i biobot crescono e interagire con loro per sfruttare al massimo la tecnologia e raggiungere le funzioni locomotorie. Le simulazioni al computer che eseguiamo svolgono un ruolo fondamentale in questo compito in quanto possiamo coprire una serie di possibili progetti e seleziona solo quelli più promettenti per i test nella vita reale.”

“La capacità di guidare l'attività muscolare con i neuroni apre la strada a un'ulteriore integrazione delle unità neurali all'interno dei sistemi bioibridi”, spiega Taher Saif. “Data la nostra comprensione del controllo neurale negli animali, si potrebbe andare avanti con la progettazione neuromuscolare bioibrida utilizzando un'organizzazione gerarchica di reti neurali.”

Il dottor Taher Saif ha dichiarato che questo progresso porterà allo sviluppo di sistemi di vita ingegnerizzati multicellulari aventi la capacità di rispondere in modo intelligente ai segnali ambientali per applicazioni nelle tecnologie di bioingegneria, medicina e materiali autorigeneranti.

Tuttavia, il team riconosce che - come gli organismi viventi - non si svilupperanno due macchine bioibride esattamente identiche.

“Proprio come i gemelli non sono veramente identici, due macchine progettate per svolgere la stessa funzione non saranno le stesse”, asserisce Taher Saif. “Uno può muoversi più velocemente o guarire dai danni in modo diverso dall'altro - un attributo unico delle macchine viventi.”

Il centro scientifico e tecnologico della National Science Foundation e l'Emergent Frontiers in Research and Innovation di NSF ha sostenuto questa ricerca.

Riferimenti:

(1) Taher Saif

(2) Rashid Bashir

(3) Neuromuscular actuation of biohybrid motile bots

(4) Mattia Gazzola

Descrizione foto: questo è un rendering dell'artista di una nuova generazione di biobot: dispositivi robotici morbidi alimentati da tessuto muscolare scheletrico stimolato da neuroni motori a bordo. Credit: Graphic courtesy Michael Vincent.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers build microscopic biohybrid robots propelled by muscles, nerves