Das kann kein Motor: Muskel aus Mäusezellen lässt Mini-Roboter springen und Rekord laufen

5 mm sind kein großer Sprung. Doch für einen Roboter von 1,5 cm Länge sind es ein Drittel seines Körpers, und er schafft sie mit einer einzigen Kontraktion. Was ihn dabei vom Boden der Laborschale hebt, ist echtes Muskelgewebe, gezüchtet aus den Zellen von Mäusen. Anders als ein Motor erzeugt der Muskel nicht nur Kraft, er verändert dabei auch seine Form.

Eine gehende Variante schafft 6,2 mm pro Sekunde. Gemessen an ihrer Körperlänge ist sie damit nach Angaben des Teams schneller als jeder bisher bekannte laufende Roboter mit lebendem Muskelgewebe.

Entwickelt haben die Mini-Roboter Forschende der ETH Zürich um Robert Katzschmann, Professor am Soft Robotics Lab. Dies teilte die Hochschule am 22. Oktober mit. Die Studie der Erstautoren Aiste Balciunaite und Mike Y. Michelis erschien im September in Nature Communications.

Biohybrid-Roboter, die Technik mit lebendem Gewebe verbinden, gibt es schon länger. ingenieur.de berichtete Ende September über einen Schwimmroboter des MIT. Die Zürcher gehen beim Entwurf aber einen anderen Weg: Sie lassen Muskel und künstliches Gerüst gemeinsam am Computer entstehen. Warum das den Unterschied macht, zeigt ein Blick auf die Schwäche bisheriger Systeme.

Muskeln aus dem Petriglas treffen Hydrogel

Im Labor gezüchtetes Skelettmuskelgewebe zieht sich zusammen, wenn man es elektrisch reizt. Nur sieht man davon meist kaum etwas. „Bei bisherigen Systemen musste man teilweise unter dem Mikroskop hinschauen, um die Verformung zu erkennen”, sagt Doktorandin Aiste Balciunaite von der ETH Zürich. Für Roboter, die sich mit lebenden Muskeln bewegen sollen, ist das ein Problem.

Die Zürcher Antwort darauf ist ein sogenannter Bioaktuator, ein Antrieb aus zwei Teilen.

• Der eine ist Muskelgewebe aus Mäusezellen.
• Der andere ein Gerüst aus Hydrogel, einem weichen, wasserreichen Material, das sich ähnlich flexibel verformen lässt wie biologisches Gewebe.

So entwickelten die Forscher den Robo-Muskel

Bislang legten Forschende die Form des Muskels fest und bauten dann ein Gerüst dazu. Das ETH-Team drehte den Prozess um und ließ einen Algorithmus beide Teile zugleich entwerfen. Der suchte am Computer nach Anordnungen, bei denen die Kontraktion des Muskels eine möglichst große Bewegung des gesamten Bauteils erzeugt.

Wie viel Muskelgewebe wo sitzen soll und wie das Gerüst dazwischen geformt sein muss, war damit das Ergebnis einer Rechnung. Die Gerüste druckten die Forschenden anschließend mit Xolografie, einem 3D-Druckverfahren, bei dem Licht das Hydrogel aushärtet. Pro Gerüst dauert das etwa eine Minute. „Selbstverständlich war es ein iterativer Prozess”, erklärt Balciunaite. Was die Experimente über Materialeigenschaften und Herstellung verrieten, floss zurück in die Simulation.

Entscheidend für die Kraftübertragung ist die Verbindung zwischen beiden Teilen. Feine Rillen im Gerüst helfen dem Gewebe, sich fest zu verankern und seine Fasern auszurichten. So geht möglichst wenig Muskelkraft verloren, wenn sie auf das Gerüst übergeht. Die fertigen Antriebe sind rund 1,5 cm lang und verformen sich so stark, dass man es mit bloßem Auge sieht. Nach Angaben der Forschenden erreichen sie einen bis zu elfmal größeren Bewegungsumfang als frühere Systeme mit vergleichbarer Muskelmenge.

Springen, schwimmen, laufen, greifen

Aus den Antrieben bauten die Forschenden mehrere Roboter. Elektrische Impulse lassen die Muskelzellen kontrahieren, der Aktuator biegt sich. Je nach Bauform springt er dadurch, treibt sich schwimmend durch die Nährflüssigkeit, bewegt sich über den Boden oder schließt sich um einen Gegenstand.

Der Sprung über 5 mm ist dabei die Königsdisziplin. Balciunaite bezeichnet ihn als die ungewöhnlichste Bewegung, weil er eine besonders starke Verformung verlangt und deshalb am deutlichsten zeigt, was das Zusammenspiel von Muskel und Gerüst leistet.

Die gehende Version schafft 6,2 mm pro Sekunde, umgerechnet rund 0,4 Körperlängen pro Sekunde. Zum Vergleich: Der MIT-Schwimmroboter kam im September auf etwa vier Körperlängen pro Minute, allerdings im Wasser und mit einer anderen Bewegungsart. Für laufende Biohybrid-Roboter ist der Zürcher Wert laut Studie der höchste bisher beschriebene.

Ohne Nährflüssigkeit geht nichts

Außerhalb der Laborschale überleben die Roboter nicht. Ihr Muskelgewebe braucht eine Nährflüssigkeit, die es mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Für größere Systeme wäre laut Katzschmann eine Art künstliche Blutversorgung nötig, ein Gefäßsystem, das Sauerstoff und Nährstoffe ins Gewebe bringt und Abfallstoffe abtransportiert. Das zählt er zu den größten Herausforderungen für die weitere Entwicklung.

Hinzu kommt die Eigenart lebenden Materials. Industriell gefertigte Bauteile verhalten sich alle gleich, gezüchtete Muskelantriebe tun das nicht. Das Team will deshalb besser verstehen und steuern, wie das Gewebe während seiner Reifung im Labor entsteht. Einen Einsatz außerhalb des Labors stellt es vorerst nicht in Aussicht.

Warum überhaupt lebende Muskeln?

Für Katzschmann liegt der Wert eines biologischen Muskels in dem, was ein Motor nicht kann. Er erzeugt Kraft und verändert dabei seine Form, und diese Form beeinflusst, wie sich ein ganzer Körper bewegt und verformt. Mit dem Entwurf am Computer werde die Muskelform zu einer Größe, die Ingenieure gestalten können, statt zu einer Einschränkung, um die sie herumkonstruieren müssen.

Möglich wurde das erst, weil Zellbiologie, Materialwissenschaft, Robotik und computergestütztes Design an einem Tisch saßen. Längerfristig könnten Roboter nach Katzschmanns Vorstellung stärker Eigenschaften lebender Organismen nutzen, statt Bewegung allein aus Motoren und starren Bauteilen zu erzeugen. „Wir beginnen gerade erst, Roboter auf eine natürlichere Art zu bauen”, sagt er.