Il MIT sviluppa tendini artificiali per rafforzare i robot bioibridi / MIT Develops Artificial Tendons to Strengthen Biohybrid Robots

Il MIT sviluppa tendini artificiali per rafforzare i robot bioibridi / MIT Develops Artificial Tendons to Strengthen Biohybrid Robots

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La robotica bioibrida continua a progredire, poiché gli ingegneri si ispirano alla natura per trovare attuatori efficienti.

I nostri muscoli agiscono come fonti di energia naturali, generando le forze che consentono il movimento. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno utilizzato tessuto muscolare reale per alimentare "robot bioibridi" che combinano tessuto vivo con strutture sintetiche. Abbinando muscoli cresciuti in laboratorio a scheletri ingegnerizzati, gli scienziati hanno creato robot che strisciano, camminano, nuotano e si muovono con la forza dei muscoli.

Tuttavia, la maggior parte dei progetti esistenti presentava limiti in termini di ampiezza di movimento e di output. Ora, gli ingegneri del MIT mirano ad ampliare le capacità dei sistemi bioibridi introducendo tendini artificiali.

Pubblicato su Advanced Science, lo studio descrive lo sviluppo di tendini in idrogel resistenti e flessibili che collegano piccoli frammenti di muscolo coltivato in laboratorio a componenti robotici. Il gruppo ha creato un'unità muscolo-tendinea collegando un tendine a ciascuna estremità del campione di muscolo e collegando i tendini alle dita di una pinza robotica. Quando il muscolo veniva stimolato a contrarsi, i tendini trasmettevano forza alla pinza, consentendo alle dita di stringere insieme tre volte più velocemente e con una forza 30 volte maggiore rispetto a modelli comparabili basati solo su muscoli.

I ricercatori affermano che questa struttura modulare potrebbe essere adattata ad un'ampia gamma di progetti di robot bioibridi.

"Stiamo introducendo tendini artificiali come connettori intercambiabili tra attuatori muscolari e scheletri robotici", afferma l'autrice principale Ritu Raman, professore associato di ingegneria meccanica (MechE) al MIT. "Tale modularità potrebbe semplificare la progettazione di un'ampia gamma di applicazioni robotiche, dagli strumenti chirurgici su scala microscopica alle macchine esplorative adattive ed autonome".

Tra i coautori dello studio del MIT figurano gli studenti laureati Nicolas Castro, Maheera Bawa, Bastien Aymon, Sonika Kohli e Angel Bu; la studentessa universitaria Annika Marschner; il postdoc Ronald Heisser; le ex studentesse Sarah J. Wu '19, SM '21, PhD '24 e Laura Rosado '22, SM '25; ed i professori di Meccanica Martin Culpepper e Xuanhe Zhao.

Attuatori bioibridi e prestazioni muscolari

Raman ed il suo gruppo sono tra i gruppi leader nel campo in crescita della robotica bioibrida, che integra attuatori biologici con strutture sintetiche. Il muscolo offre vantaggi naturali: ogni cellula funziona come un singolo attuatore, consentendo la realizzazione di sistemi robotici estremamente piccoli ed adattabili. Il tessuto muscolare può anche rafforzarsi con l'uso e ripararsi dopo un danno, rendendolo adatto ad applicazioni come l'esplorazione a distanza o l'assistenza chirurgica.

Tradizionalmente, i progetti bioibridi sviluppano una striscia di muscolo e ne collegano le estremità direttamente ad uno scheletro rigido. Raman osserva che questo può portare ad inefficienza e instabilità. Ampie porzioni di massa muscolare sono spesso dedicate all'attacco piuttosto che all'attivazione, e la discrepanza tra tessuti molli e materiali rigidi può causare distacchi o lacerazioni. Solo la parte centrale del muscolo genera tipicamente un movimento utile, limitando la potenza complessiva erogata.

Ciò ha spinto il gruppo a studiare più da vicino il modo in cui i sistemi biologici risolvono lo stesso problema.

"La soluzione che il corpo ha trovato è quella di avere tendini con una rigidità a metà strada tra muscolo e osso, che permettono di colmare questa discrepanza meccanica", spiega Raman. "Sono come cavi sottili che avvolgono efficacemente le articolazioni".

Tendini idrogel ed integrazione robotica

Per progettare i tendini artificiali, il gruppo ha utilizzato l'idrogel, un materiale resistente ed elastico sviluppato dal coautore Xuanhe Zhao. I ricercatori hanno modellato il sistema come un insieme di molle che rappresentano il muscolo, lo scheletro ed i tendini, utilizzando valori di rigidità noti per calcolare le proprietà ottimali dei tendini.

Dopo aver inciso l'idrogel in strisce simili a cavi, le hanno fissate su entrambi i lati di un campione di muscolo coltivato in laboratorio utilizzando metodi di ingegneria tissutale consolidati. Questi tendini sintetici sono stati quindi avvolti attorno a perni alla base delle dita di una pinza robotica, un meccanismo di precisione creato dal professore di Meccanica Martin Culpepper.

Quando il muscolo si contraeva, i tendini trasferivano la forza alla pinza, producendo un movimento più rapido ed una forza significativamente maggiore. Il sistema ha inoltre resistito a 7.000 cicli di contrazione, dimostrando una maggiore durata. Nel complesso, l'aggiunta di tendini ha aumentato di undici volte il rapporto potenza/peso.

"Basta un piccolo attuatore collegato in modo intelligente allo scheletro", spiega Raman. "Se lo si collega a qualcosa come un tendine resistente allo strappo, può davvero trasmettere la sua forza".

Verso una robotica bioibrida pratica

La ricerca segna un passo avanti nell'integrazione dei tessuti biologici con i sistemi robotici. Simone Schürle-Finke, professoressa associata di scienze e tecnologie della salute presso l'ETH di Zurigo, non coinvolta nello studio, sottolinea l'importanza del design:

"I tendini in idrogel resistente creano un'architettura muscolo-tendine-osso più fisiologica, che migliora notevolmente la trasmissione della forza, la durata e la modularità. Questo orienta il settore verso sistemi bioibridi in grado di funzionare in modo ripetibile ed, in futuro, anche al di fuori del laboratorio."

Ora che i tendini artificiali sono stati incorporati con successo, il gruppo di Raman sta lavorando allo sviluppo di componenti aggiuntivi, come rivestimenti protettivi simili alla pelle, per supportare i robot a propulsione muscolare che operano in ambienti reali.

ENGLISH

Biohybrid robotics continues to advance as engineers look to nature for efficient actuators.

Our muscles act as natural power sources, generating the forces that enable movement. In recent years, researchers have used real muscle tissue to power “biohybrid robots” that combine living tissue with synthetic structures. By pairing lab-grown muscles with engineered skeletons, scientists have created muscle-powered crawlers, walkers, swimmers, and grippers.

However, most existing designs have been limited in motion range and output. Now, MIT engineers are aiming to expand the capabilities of biohybrid systems by introducing artificial tendons.

Published in Advanced Science, the study outlines the development of tough, flexible hydrogel tendons that connect small pieces of lab-grown muscle to robotic components. The team created a “muscle–tendon unit” by attaching one tendon to each end of the muscle sample and connecting the tendons to the fingers of a robotic gripper. When the muscle was stimulated to contract, the tendons transmitted force to the gripper, enabling its fingers to pinch together three times faster and with 30 times more force than comparable muscle-only designs.

The researchers say this modular structure could be adapted across a wide range of biohybrid robot designs.

“We are introducing artificial tendons as interchangeable connectors between muscle actuators and robotic skeletons,” says lead author Ritu Raman, assistant professor of mechanical engineering (MechE) at MIT. “Such modularity could make it easier to design a wide range of robotic applications, from microscale surgical tools to adaptive, autonomous exploratory machines.”

The study’s MIT co-authors include graduate students Nicolas Castro, Maheera Bawa, Bastien Aymon, Sonika Kohli, and Angel Bu; undergraduate Annika Marschner; postdoc Ronald Heisser; alumni Sarah J. Wu ’19, SM ’21, PhD ’24, and Laura Rosado ’22, SM ’25; and MechE professors Martin Culpepper and Xuanhe Zhao.

Biohybrid Actuators and Muscle Performance

Raman and her team are among the leading groups in the growing field of biohybrid robotics, which integrates biological actuators with synthetic structures. Muscle offers natural advantages: each cell functions as an individual actuator, enabling the possibility of extremely small and adaptable robotic systems. Muscle tissue can also strengthen with use and repair itself after damage, making it suitable for applications such as remote exploration or surgical assistance.

Traditionally, biohybrid designs grow a strip of muscle and attach its ends directly to a rigid skeleton. Raman notes that this can lead to inefficiency and instability. Large portions of muscle mass are often dedicated to attachment rather than actuation, and the mismatch between soft tissue and rigid materials can cause detachment or tearing. Only the central part of the muscle typically generates useful motion, limiting overall power output.

This led the team to look more closely at how biological systems solve the same problem.

“The solution the body has come up with is to have tendons that are halfway in stiffness between muscle and bone, that allow you to bridge this mechanical mismatch,” Raman explains. “They’re like thin cables that wrap around joints efficiently.”

Hydrogel Tendons and Robotic Integration

To design their artificial tendons, the team used hydrogel — a tough, stretchable material developed by co-author Xuanhe Zhao. The researchers modelled the system as a set of springs representing the muscle, skeleton, and tendons, using known stiffness values to calculate the optimal tendon properties.

After etching the hydrogel into cable-like strips, they attached them to either side of a lab-grown muscle sample using established tissue-engineering methods. These synthetic tendons were then wrapped around posts at the base of a robotic gripper’s fingers, a precision mechanism created by MechE professor Martin Culpepper.

When the muscle contracted, the tendons transferred force to the gripper, producing faster motion and significantly greater force. The system also withstood 7,000 contraction cycles, demonstrating improved durability. Overall, the addition of tendons increased the power-to-weight ratio eleven-fold.

“You just need a small piece of actuator that’s smartly connected to the skeleton,” Raman says. “If you attach it to something like a tendon that can resist tearing, it can really transmit its force.”

Towards Practical Biohybrid Robotics

The research marks a step forward for integrating biological tissue with robotic systems. Simone Schürle-Finke, associate professor of health sciences and technology at ETH Zürich, who was not involved in the study, highlights the importance of the design:

“The tough-hydrogel tendons create a more physiological muscle–tendon–bone architecture, which greatly improves force transmission, durability, and modularity. This moves the field toward biohybrid systems that can operate repeatably and eventually function outside the lab.”

With artificial tendons now successfully incorporated, Raman’s team is working on developing additional components — such as protective, skin-like coverings — to support muscle-powered robots operating in real-world environments.

Da:

https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/mit-develops-artificial-tendons-to-strengthen-biohybrid-robots?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic