Forskere udvikler små “Spinobots” med rottemuskler og rygmarvsvæv

I en underlig lydende og vigtig udvikling inden for robotteknologi har forskere ved University of Illinois at Urbana-Champaign udviklet små “spinobots”, der kan gå. De er drevet af rottemuskler og rygmarvsvæv, som er til stede på den bløde, 3D-printede hydrogelskelet.

Før de nye udviklinger afhængige biologiske robotter af simple muskelkontraktioner for at gå fremad. Med brug af rygmarven i disse nye robotter kan de gå med en mere naturlig rytme.

Martha Gillette er studieleder og professor i celle- og udviklingsbiologi.

“Dette er begyndelsen på en retning mod interaktive biologiske enheder, der kan have anvendelser for neurocomputing og for restaurerende medicin,” sagde Gillette.

Fundene blev offentliggjort i tidsskriftet APL Bioengineering.

Opbygning af Spinobots

For at bygge spinobots trykte forskerne først det små skelet. Det havde to pæle, der fungerede som ben, samt en fleksibel “ryg”. Skelettet blev derefter sået med muskelceller, der voksede til muskelvæv, og et segment af lumbal rygmarv blev taget fra en rotte og integreret i det.

Collin Kaufman er en ph.d.-studerende og den første forfatter af artiklen.

“Vi valgte specifikt den lumbale rygmarv, fordi tidligere arbejde har vist, at den indeholder kredsløb, der kontrollerer venstre-højre alternation for nedre ekstremiteter under gåen,” sagde Kaufman. “Fra et ingeniørperspektiv er neuroner nødvendige for at drive stadig mere komplekse, koordinerede muskelbevægelser. Det største obstakel for innervation var, at ingen havde nogensinde dyrket en intakt rotte rygmarv før.”

Design af en metode til integration af rygmarven

Forskerne udviklede en metode til at udtrække den intakte rygmarv og dyrke den, samt integrere den i robotten, mens de dyrkede muskel- og nervevæv sammen. Da de gjorde dette, skulle de sikre, at neuronerne dannede forbindelser med musklen.

Efter at have designet den nye metode observerede forskerne muskelkontraktioner, der fandt sted i spinobots. Dette betød, at neuro-muskulære forbindelser faktisk dannedes, og de to typer celler kommunikerede. For at sikre, at rygmarven fungerede, hvilket er nødvendigt for gåen, brugte forskerne glutamat. Glutamat er en neurotransmitter, der hjælper nerveceller med at signalere til musklen at kontrahere.

Musklen kontraherede, og benene bevægede sig i en naturlig rytme på grund af glutamat, og når det blev fjernet, gik spinobots ikke længere.

De næste skridt for forskerne inkluderer at finpudse spinobots’ bevægelser, så de er endnu mere naturlige. Deres håb er, at in vitro-modeller af det perifere nervesystem kan oprettes gennem brug af small-scale rygmarvsintegration.

“Udviklingen af et in vitro-perifert nervesystem – rygmarv, udvækster og innerveteret muskel – kunne tillade forskere at studere neurodegenerative sygdomme, såsom ALS, i realtid med større adgang til alle berørte komponenter,” sagde Kaufman. “Der er også en række måder, hvorpå denne teknologi kunne bruges som et kirurgisk træningsværktøj, fra at fungere som en øvelsesdukke lavet af rigtigt biologisk væv til faktisk at hjælpe med at udføre kirurgien selv. Disse anvendelser er for nuværende i en ret fjernt fremtid, men inklusionen af en intakt rygmarvs-kreds er et vigtigt skridt fremad.”