Biohybride Roboterhand: Fortschritte und Herausforderungen

TOKIO / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Entwicklung von biohybriden Robotern, die biologische Komponenten wie menschliche Muskelzellen integrieren, steht vor bedeutenden Herausforderungen. Ein Team von Forschern der Universität Tokio hat kürzlich eine Roboterhand entwickelt, die von im Labor gezüchteten menschlichen Muskeln angetrieben wird. Diese Innovation zeigt sowohl die Fortschritte als auch die bestehenden Einschränkungen dieser Technologie auf.

Die Integration biologischer Komponenten in Robotertechnologien stellt eine faszinierende, aber auch herausfordernde Entwicklung dar. Biohybride Roboter kombinieren biologische Materialien wie Muskeln mit nicht-biologischen Strukturen, um Bewegungen zu erzeugen. Ein Team unter der Leitung von Professor Shoji Takeuchi an der Universität Tokio hat eine 18 Zentimeter lange Roboterhand entwickelt, die von im Labor gezüchteten menschlichen Muskeln angetrieben wird. Diese Entwicklung zeigt sowohl das Potenzial als auch die Herausforderungen dieser Technologie auf.

Ein zentrales Problem bei der Entwicklung größerer biohybrider Roboter ist die Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit der biologischen Komponenten. Insbesondere die Gefahr der Nekrose, das Absterben von Muskelzellen aufgrund unzureichender Nährstoff- und Sauerstoffversorgung, stellt eine große Herausforderung dar. In lebenden Organismen wird dieses Problem durch ein vaskuläres Netzwerk gelöst, das in künstlichen Systemen jedoch schwer nachzubilden ist.

Um dieses Problem zu umgehen, entwickelte das Team eine innovative Methode, bei der dünne Muskelfasern auf einer Petrischale gezüchtet und dann zu Röhren, sogenannten MuMuTAs, gerollt werden. Diese Struktur ermöglicht eine bessere Sauerstoffdiffusion und Nährstoffversorgung, wodurch die Muskeln länger funktionsfähig bleiben. Die Bewegung der MuMuTAs wird durch elektrische Signale ausgelöst, die über Elektroden an den Enden der Muskeln angelegt werden.

Die Roboterhand selbst besteht aus einem 3D-gedruckten Kunststoffgerüst, das in einer Flüssigkeitssuspension gehalten wird. Jeder Finger der Hand wird durch ein Kabel bewegt, das mit einem MuMuTA verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht es der Hand, verschiedene Gesten auszuführen, wie zum Beispiel die im Spiel „Schere, Stein, Papier“ verwendeten.

Trotz dieser Fortschritte gibt es noch erhebliche Einschränkungen. Die Finger der Roboterhand können sich nur in eine Richtung bewegen und kehren nur durch die Auftriebskraft des Materials in ihre Ausgangsposition zurück. Eine mögliche Lösung wäre die Verwendung elastischer Materialien in den Gelenken oder die Implementierung zusätzlicher antagonistisch wirkender MuMuTAs, ähnlich wie im menschlichen Körper.

Ein weiteres Problem ist die Abhängigkeit der biohybriden Hand von der Flüssigkeitssuspension. Um in einer trockenen Umgebung zu funktionieren, müssten zukünftige Entwicklungen künstliche Nährstoffversorgungssysteme und Schutzgerüste integrieren, um die Lebensfähigkeit der Gewebe außerhalb der Flüssigkeit zu gewährleisten.

Schließlich bleibt die Ermüdung der biologischen Muskeln ein ungelöstes Problem. Nach etwa zehn Minuten intensiver Nutzung zeigt die Roboterhand Anzeichen von Ermüdung, was auf die begrenzte Kraft der im Labor gezüchteten Muskeln zurückzuführen ist. Eine mögliche Lösung könnte das „Training“ der Muskeln sein, um ihre Ausdauer und Kontraktionskraft zu verbessern, ähnlich wie bei natürlichen Muskeln.

Die Arbeit von Takeuchi und seinem Team zeigt, dass biohybride Roboter eine vielversprechende, aber noch in der Entwicklung befindliche Technologie sind. Die Integration biologischer Komponenten in Roboter könnte in Zukunft neue Möglichkeiten für die Robotik eröffnen, erfordert jedoch weitere Forschung und Entwicklung, um die bestehenden Herausforderungen zu überwinden.

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