Совсем ручная: японские инженеры создали биогибридную конечность, способную делать «ножницы»

С точки зрения робототехники человеческая рука — пример идеального многоосевого манипулятора и образец исключительной функциональности. Запястье, например, представляет собой сферический шарнир, кости руки образуют легкий, но прочный каркас, а мышцы предплечья через длинные сухожилия, напоминающие тросы, передают усилие на кисть. Такое решение оптимизирует массу конечности: мощные «приводы» находятся в ее верхней части, что уменьшает инерцию при движении.

Сенсорная система также впечатляет: в кожном покрове руки сокрыты около 17 000 тактильных рецепторов, причем большинство из них сосредоточены на кончиках пальцев. Инженерный аналог такой системы — сложная комбинация датчиков и камер, точность и скорость взаимодействия которых пока остается вызовом для индустрии искусственных устройств.

Ученые и сегодня продолжают изучать биомеханику руки, стремясь воссоздать ее в искусственных манипуляторах. Именно человеческая кисть стала ориентиром для исследователей из Токийского университета и Университета Васэда. Японские разработчики создали биогибридную руку с многосуставными пальцами, каждый из которых способен двигаться независимо от другого. В феврале 2025 года об этом достижении вышла статья в научном издании Science Robotics, входящем в число наиболее авторитетных изданий по робототехнике.

Ключевая новация разработчиков из Токио — живая мышечная ткань, которая применяется в биогибридной конечности как основа двигательного механизма.

Другой важный результат работы — размеры. До этого биогибридные роботы представляли собой в основном миниатюрные устройства длиной около сантиметра или менее и были способны только на простейшие односуставные движения.

Новая разработка, длиной 18 см, сильно превосходит своих предшественников по двигательному функционалу.

Почему же разработка даже не особо крупных биогибридных устройств вызывает такие сложности? По той же причине, по которой производители мяса пока не могут отказаться от животноводства. Выращивание мышечной ткани — высокотехнологичный инновационный процесс, и когда вопрос заходит об объемах, возникают немалые трудности. Самая значительная состоит в том, что толстые мышцы, необходимые для движения больших конечностей (или для стейков), в лабораторных условиях гибнут из-за некроза. Питательные вещества просто не достигают центральных клеток.

Идея решения этой проблемы посетила японских ученых, видимо, в одном из токийских заведений общепита. Новый подход, который они применили в конструкции биогибридной руки, по своему принципу напоминает приготовление суши-роллов — вместо одного толстого пучка биоинженеры вырастили тонкие нити мышечной ткани, которые затем свернули в цилиндрические структуры, как рис в лист водорослей нори. Получился своего рода мышечный «силовой кабель», только не изолированный от внешней среды, а напротив, способный пропускать питательную жидкость к каждому волокну и препятствующий отмиранию тканей. Эту «суши-технологию» разработчики назвали MuMuTA (Multiple Muscle Tissue Actuators).

Еще один секрет MuMuTA — в особом режиме выращивания и скручивания волокон. Ткани культивируются на плоской поверхности, что обеспечивает идеальное выравнивание и усиливает их способность сокращаться.

Скручивая плоскую структуру в объемную, инженеры добились равномерного распределения усилий между всеми мышечными тканями. Дело оставалось за малым — подсоединить к мышцам электроды.

Выращивание достаточно мощных мышц для биогибридного устройства оказалось самой трудоемкой задачей проекта. Добившись успеха, токийские инженеры приступили к другому важному этапу — интеграции живой ткани в механическую основу. Биогибридные пальцы, напечатанные на 3D-принтере, обрели подвижность благодаря тросовому приводу. Как и в живой руке, сокращение мышц через это искусственное сухожилие заставляет пальцы сгибаться с силой около 0,008 Н — это как легкое прикосновение.

Биоинженерам также удалось разработать многосуставную конструкцию, обеспечивающую естественную биомеханику движения. У каждого пальца есть три сустава, которые сгибаются с разной угловой скоростью в зависимости от интенсивности электрического поля вокруг. Наибольшую скорость демонстрирует второй сустав, что делает движение физиологичным.

Мышечные волокна активируются электрическими импульсами через водонепроницаемые провода. Изменяя расположение электродов, разработчики достигли возможности управлять группами пальцев независимо друг от друга. Это позволяет руке выполнять не только простые захваты, но и сложные жесты.

Для демонстрации возможностей своего изобретения команда «обучила» руку показывать жест «ножницы» из популярной детской задачки. Выполнение такого жеста требует синхронного сокращения мизинца, безымянного и большого пальцев при удержании указательного и среднего пальцев в вытянутом положении. Такая замысловатая координация ранее была непосильна биогибридным устройствам.

При всех впечатляющих показателях разработчики технологии MuMuTA пока сталкиваются с рядом существенных ограничений. Так, рука должна постоянно находиться в питательной жидкости, что делает затруднительным использование устройства вне лабораторий.

Другая интересная инженерная задача — отсутствие эффективного механизма разгибания пальцев. Сейчас после сокращения мышц пальцы возвращаются в исходное положение только благодаря естественной плавучести в жидкости. Таким образом предстоит разработать либо эластичный материал для пассивного возврата пальцев, либо вмонтировать дополнительные MuMuTA на тыльной стороне для создания аналога разгибательных мышц человеческой руки.

Однако искусственно выращенные мышцы имитируют не только функциональность естественных тканей, но и перенимают их физиологические особенности. После десяти минут непрерывной электрической стимуляции их сократительная сила начинает снижаться на 10−15% — эффект, аналогичный мышечной усталости.

Но, как и живые ткани, они полностью восстанавливают работоспособность после часа отдыха. Эта особенность указывает на новые исследовательские возможности для биотехнологов.

Исследование также выявило зависимость сократительной силы мышц от температуры окружающей среды. Так, при температуре 37 °C (физиологической для человеческого тела) наблюдается оптимальная работоспособность системы, а понижение ее до 4 °C снижает силу мышц более чем вдвое.

Хотя до промышленного применения технологии MuMuTA еще далеко, разработка японских ученых уже показывает свою ценность в нескольких областях. Прежде всего, это создание протезов рук — с естественной биомеханикой и точными движениями пальцев. Такие новации помогут пациентам после ампутаций вернуться к привычной жизни. Тканевые структуры с хорошим питанием, подобные MuMuTA, также позволят тестировать новые лекарства на живых мышечных тканях в максимально физиологичных условиях.

Для хирургов MuMuTA — это шанс улучшить подготовку к сложным операциям, для ученых-физиологов — инструмент изучения того, как мышцы восстанавливаются при разных нагрузках и температурах. А специалисты по тканевой инженерии, вероятно, уже раздумывают, как применить технологию для выращивания крупных мышечных трансплантатов, которые раньше получить не удавалось.

Но даже отстранившись от этих областей, мы увидим, что биогибридность стремительно становится одним из ключевых трендов современной инженерии, а проект биоинженеров из Токио дополняет общую мозаику исследований в этом ключе. К примеру, соотечественники профессора Такеучи разработали миниатюрного двуногого шагающего робота, ноги которого также приводятся в движение искусственно выращенной мышечной тканью, хотя и значительно уступающей проекту MuMuTA в размерах. Команда из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне несколькими годами ранее создала миниатюрного биогибридного жука Drosophibot. Ученые вырастили мышечную ткань из клеток плодовой мушки (Drosophila melanogaster) и прикрепили ее к гибкому каркасу робота.

Развивается биогибридное направление и в России. Ученые из Южного федерального университета представили систему, способную детектировать различные вещества в окружающей среде по запаху. Эта технология сочетает биологические компоненты с искусственными сенсорами, позволяя точно определять наличие определенных химических соединений в воздухе или почве. Ее планируют внедрять, в частности, в аэропортах.

Все эти примеры говорят об одном: биогибридное будущее к нам все ближе. Сегодня оно еще за закрытыми дверями исследовательских центров, но уже завтра сможет стать частью нашей повседневности.

Подготовка новых поколений инженеров к этой реальности уже началась. Например, в Саутгемптонском университете в Великобритании, одном из ведущих мировых центров инженерной мысли, в 2024 году представили «Учебное пособие по живым машинам» и запустили для аспирантов и исследователей специальный курс «Подготовка к взаимодействию человека с биогибридным роботом».