Propulsé par des cellules musculaires, un robot aussi fin qu’une feuille de papier nage dans un labyrinthe aquatique.
Des ingénieurs du MIT ont mis au point un robot souple capable de se déplacer dans l’eau en réaction à des flashs lumineux. Crédits Photo: Melanie Gonick, MIT
Le nouvel aquabot des ingénieurs du MIT offre une méthode pour concevoir des robots « biohybrides » petits et efficaces.
La natation sollicite beaucoup les muscles. Mais comme l’ont découvert des ingénieurs du MIT, même une simple couche de cellules musculaires peut fendre l’eau si elle est correctement conçue.
Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Advanced Functional Materials , l’équipe présente la conception d’un robot nageur mince, propulsé par la force musculaire. Le « squelette » de cet aquabot est constitué d’un film de gel dont la longueur et la largeur sont comparables à celles d’un chewing-gum. Les deux moitiés de ce gel forment les « nageoires » du robot. Chaque nageoire est recouverte d’une couche de cellules musculaires vivantes, beaucoup plus fine qu’un cheveu. Ces cellules sont génétiquement modifiées pour se contracter en réponse à la lumière.
Lorsque les chercheurs éclairent une nageoire, les muscles situés à sa surface se contractent, provoquant un battement d’ailerons suffisamment puissant pour propulser le robot dans l’eau. En éclairant tour à tour une nageoire et l’autre à intervalles réguliers, ils peuvent contrôler la direction et la vitesse du robot nageur.
Les ingénieurs ont démontré que ce robot ultra-fin pouvait nager et pivoter dans un labyrinthe aquatique simple. À sa vitesse maximale, il peut parcourir environ quatre fois sa longueur en une minute. C’est une allure d’escargot comparée aux nageurs olympiques, capables de parcourir jusqu’à 65 longueurs de corps par minute. Mais ce robot pourrait rivaliser avec des nageurs plus tranquilles comme le requin-vache, qui explore l’océan à une vitesse similaire.
« Il faut beaucoup plus de force pour se déplacer dans l’eau que dans l’air », explique Ritu Raman, professeure agrégée de génie mécanique au MIT et auteure de l’étude. « Le robot est étonnamment puissant, compte tenu de sa taille. »
Ce nouveau robot est le premier exemple de robot très mince, bidimensionnel, à propulsion musculaire et capable de se déplacer.
Cette vidéo, accélérée, montre comment le robot nageur réagit à la lumière. Vidéo : Melanie Gonick, MIT
« Actuellement, les robots biohybrides de notre groupe et d’autres sont construits à partir d’imposants blocs 3D de muscle squelettique cultivé en laboratoire, dont la fabrication nécessite des millions de cellules », explique Raman. Il souligne que des modèles plus fins et moins encombrants, comme le nouveau robot de l’équipe, pourraient être moins coûteux à fabriquer et se déplacer plus efficacement. « Nous pensons que les robots biohybrides alimentés par du muscle vivant pourraient un jour accomplir des tâches délicates, comme l’exploration d’environnements trop fragiles ou imprévisibles pour les systèmes conventionnels, car les tissus vivants sont souples, réactifs à leur environnement et capables de s’auto-régénérer. »
Les co-auteurs de l’étude au MIT sont les premiers auteurs Maheera Bawa, Arielle Berman, Laura Schwendeman, Ferdows Afghah et Seanbiron Johnson.
Maximiser le mouvement
L’an dernier, l’équipe de Raman a mis au point un disque de tissu musculaire artificiel inspiré de l’iris . Ils ont imprimé un disque de gel avec un motif de rainures concentriques et radiales, puis y ont déposé des cellules musculaires vivantes. Ces cellules ont formé une fine couche qui s’est développée le long des rainures et, sous l’effet de la lumière, elles ont effectué des mouvements qui ont étiré et comprimé le disque, à l’instar de l’iris humain qui dilate et contracte la pupille.
Ces travaux ont été les premiers à démontrer que des cellules musculaires pouvaient être cultivées en une couche très mince, et selon des schémas complexes qui, lorsqu’elles étaient stimulées, pouvaient se déplacer dans de multiples directions contrôlables.
« On n’avait jamais vu auparavant une telle architecture musculaire conçue de toutes pièces », explique Raman. « Et les cellules se déplaçaient dans plusieurs directions. Mais elles ne se déplaçaient que d’environ 100 microns. D’un point de vue robotique, leurs mouvements étaient infimes. »
Dans leurs nouveaux travaux, l’équipe a cherché à maximiser les mouvements musculaires afin de produire une force accrue, suffisante par exemple pour alimenter un robot nageur. La clé, ont-ils découvert, résidait dans l’optimisation du squelette sur lequel les cellules se développent.
Dans leur précédente conception inspirée de l’iris, ils cultivaient des cellules musculaires sur de la fibrine, un gel ultra-souple qui, comme l’équipe l’a constaté, se rétracte rapidement sous l’effet des forces musculaires. Afin d’optimiser le soutien des cellules et leur force, les chercheurs se sont concentrés sur le réglage du gel sous-jacent en modifiant trois propriétés : sa composition, sa rigidité, ainsi que la taille et la forme des rainures qui y sont gravées.
« Pour l’ingénierie tissulaire, on sait que ce sont des paramètres que l’on peut ajuster », explique Raman. « Et nous voulions optimiser tous ces paramètres pour soutenir les cellules musculaires vivantes. »
Adapter sur un squelette
Pour trouver un support optimal à la culture de cellules musculaires, l’équipe a expérimenté plusieurs formulations de gel, de rigidités différentes, et a imprimé des rainures de géométries variées. Par exemple, un type de rainure ressemblait à une fine gouttière carrée, tandis qu’un autre était plutôt une longue vallée incurvée. Ils ont constaté que lorsqu’ils déposaient des cellules musculaires sur chaque type de gel rainuré, elles s’alignaient dans les rainures plus carrées que courbes. Les cellules mieux alignées ont tendance à fusionner en fibres qui forment ensuite un tissu musculaire plus fort et plus coordonné. Les rainures carrées, ont-ils conclu, étaient la solution idéale.
Au lieu d’utiliser de la fibrine, ils ont testé le méthacrylate de gélatine (GelMA), un matériau fréquemment employé en ingénierie tissulaire. Ils ont élaboré différentes formulations de GelMA afin de créer des structures de rigidités variées et ont observé la croissance des cellules musculaires déposées à la surface du gel. Ils ont constaté que les cellules se développaient avec un meilleur alignement et produisaient une force plus importante sur les gels les plus rigides.
L’équipe a également fait varier l’épaisseur du gel et a constaté qu’un film de GelMa d’un demi-millimètre d’épaisseur offrait un bon support à une monocouche de cellules musculaires. Ce film était suffisamment léger pour que les cellules puissent adhérer au gel lors de leur contraction, au lieu de s’en détacher.
Enfin, l’équipe a « exercé » les muscles, en utilisant un programme d’entraînement composé de lumières clignotantes pour les renforcer.
Grâce aux cellules hypertrophiées et au gel optimisé, l’équipe a conçu un robot fin à deux ailerons, composé de gel présentant des rainures à fond carré sur ses deux faces et tapissé de cellules musculaires. Ces dernières ont fusionné pour former des fibres, aboutissant à un tissu musculaire solide et aligné.
« On peut imaginer le robot comme ayant deux muscles indépendants », explique Raman. « Si on éclaire un seul muscle, seul celui-ci se contracte. Si on les éclaire tous les deux, ils battent tous les deux. »
Les chercheurs ont immergé le robot dans une grande boîte de Petri remplie d’eau et ont dirigé manuellement une source lumineuse au-dessus de lui. Le robot a suivi la lumière, battant des nageoires pour se repérer dans un labyrinthe que l’équipe avait placé dans la boîte.
La conception actuelle est relativement simple du point de vue de sa forme. Les chercheurs souhaitaient dans un premier temps démontrer que le robot pouvait générer une force suffisante pour nager.
« Notre prochain objectif est d’optimiser la conception du corps pour permettre une nage plus rapide », explique Raman. « Mais même à faible vitesse, on pourrait imaginer un nageur à propulsion musculaire utilisé pour des applications telles que la surveillance environnementale en milieu aquatique. »
https://news.mit.edu/2026/powered-by-muscle-cells-paper-thin-robot-swims-through-watery-maze-0929