Une main robotique « biohybride » construite à partir de véritables cellules musculaires humaines,innovation ou complexité inutile ? Les enjeux de la main biohybride
La création d'une main robotique « biohybride » à partir de cellules musculaires humaines cultivées en laboratoire représente une avancée significative dans le domaine de la robotique et de la bio-ingénierie. Cette innovation, développée par l'équipe de Shoji Takeuchi à l'Université de Tokyo, illustre à la fois les progrès réalisés et les défis persistants dans l'intégration de composants biologiques et artificiels. En combinant des muscles humains avec des structures robotiques, cette main biohybride est capable d'effectuer des gestes complexes, comme jouer à « pierre, papier, ciseaux » ou manipuler des objets. Cependant, cette réalisation met également en lumière les limites actuelles de la technologie, notamment en ce qui concerne la durabilité, la force et l'autonomie des systèmes biohybrides.
Les tissus musculaires cultivés en laboratoire servent de source d'énergie pour les robots biohybrides, leur permettant d'effectuer une variété de mouvements. Toutefois, les conceptions actuelles se limitent généralement à actionner des structures simples et de petite taille, ce qui restreint leur flexibilité et leur contrôlabilité. Pour surmonter ces limitations, les chercheurs ont développé une main biohybride équipée de doigts à articulations multiples, actionnés par des actionneurs de tissus musculaires multiples (MuMuTA), constitués de faisceaux de fibres musculaires fines.
Les MuMuTA sont capables de générer une action linéaire avec une force contractile élevée (environ 8 millinewtons) et une amplitude de contraction significative (environ 4 millimètres), ce qui permet de convertir cette force en mouvements de flexion des doigts grâce à un mécanisme entraîné par câble. Ils ont réussi à contrôler individuellement chaque doigt et à produire une gamme variée de mouvements en modulant les signaux de commande. Cette étude démontre le potentiel des MuMuTA en tant que système d'entraînement prometteur pour des applications avancées en robotique biohybride.
Vue partielle éclatée de la main du robot
Le dos de la main, les parois en verre et l'index sont démontés
Méthode de construction et de fabrication des supports d'ancrage
- Schéma conceptuel de la construction du support d'ancrage. Celui-ci est composé de cinq parties interconnectées par une feuille de parylène. Chaque partie est perforée de trous circulaires, certains destinés à la fixation des ancres et d'autres à l'insertion de tiges de fixation ;
- Schéma conceptuel de la section courbe du support d'ancrage. Si l'espace entre les parties est insuffisant, la courbure exercera une tension sur la feuille de parylène, risquant de provoquer sa rupture ;
- Image de la section incurvée du support d'ancrage. Les dimensions sont les suivantes : a = 190 μm, b = 220 μm. Barre d'échelle : 100 μm ;
- Processus de fabrication du support d'ancrage. Les parties séparées du support sont disposées sur une table de fixation, espacées de 450 μm, puis une feuille de parylène est collée sur leur surface. Barre d'échelle : 1 cm.
Processus de fabrication du tissu musculaire et des MuMuTA
- Insertion des ancres aux deux extrémités dans les rainures du moule en PDMS. Barre d'échelle : 2 mm ;
- Injection d'une solution d'hydrogel contenant des myoblastes dans le moule en PDMS ;
- Placement de l'échantillon dans un incubateur à 37 °C pendant 30 minutes pour permettre la gélification de l'hydrogel ;
- Culture dans un milieu de croissance pendant 2 jours. Après 1 jour de culture, des pinces sont utilisées pour soulever et retourner les tissus musculaires dans le moule en PDMS, évitant ainsi leur adhésion à la surface du moule ;
- Transfert des tissus musculaires sur la plateforme de culture MuMuTA après 2 jours de culture ;
- Remplacement du milieu par un milieu de différenciation et poursuite de la culture jusqu'à ce que l'échantillon soit prêt pour l'expérimentation ;
- Processus de fabrication des MuMuTA. La MuMuSheet est enroulée autour d'un bâton de verre rectangulaire, puis le bâton est retiré d'un côté pour permettre l'insertion de tiges de fixation dans les supports d'ancrage enroulés.
Une révolution technologique aux défis multiples
L'un des principaux obstacles en ce qui concerne la durabilité, la force et l'autonomie des systèmes biohybrides, réside dans la difficulté à maintenir en vie et en bonne santé des tissus musculaires cultivés en laboratoire, en particulier lorsqu'ils sont intégrés à des structures artificielles. La nécrose, causée par un manque d'oxygène et de nutriments dans les tissus épais, reste un problème majeur. Pour y remédier, l'équipe de Takeuchi a développé une méthode ingénieuse inspirée de la préparation des sushis, enroulant des fibres musculaires fines en cylindres (MuMuTA) pour optimiser la diffusion des nutriments tout en maximisant la force de contraction. Cette approche a permis de créer des muscles artificiels relativement robustes, capables de générer une force suffisante pour actionner les doigts de la main robotique.
Cependant, plusieurs limitations subsistent. La main biohybride ne peut fonctionner que dans un milieu liquide, ce qui restreint son utilisation à des environnements contrôlés. De plus, les muscles artificiels montrent des signes de fatigue après seulement 10 minutes d'utilisation, un problème qui soulève des questions sur leur viabilité à long terme. Enfin, la force générée par ces muscles reste bien inférieure à celle des muscles naturels, malgré les progrès réalisés.
Ces défis techniques reflètent des questions plus larges sur l'utilité et l'avenir des robots biohybrides. Certains commentateurs soulignent que l'utilisation de composants biologiques ajoute une complexité inutile, tandis que d'autres voient dans cette technologie un pas vers des applications médicales révolutionnaires, comme la régénération d'organes ou la création de prothèses plus performantes. Par ailleurs, des préoccupations éthiques et sociales émergent, notamment concernant l'intégration de ces technologies dans la société et les implications potentielles pour l'humanité.
La main biohybride : une avancée technologique qui interroge notre humanité
La création d'une main robotique « biohybride » à partir de cellules musculaires humaines cultivées en laboratoire est indéniablement une avancée majeure dans les domaines de la robotique et de la bio-ingénierie. Cette innovation, portée par l'équipe de Shoji Takeuchi à l'Université de Tokyo, démontre une prouesse technique remarquable en intégrant des tissus biologiques à des structures artificielles, permettant à la main d'exécuter des mouvements complexes comme jouer à « pierre, papier, ciseaux » ou manipuler des objets. Cependant, cette réalisation soulève également des questions critiques sur les limites actuelles de cette technologie, ainsi que sur ses implications scientifiques, éthiques et sociales.
D'un point de vue technique, la main biohybride représente une étape importante dans la fusion du biologique et du mécanique. L'utilisation de muscles cultivés en laboratoire, bien que prometteuse, révèle des défis majeurs, notamment en termes de durabilité et de performance. Les muscles artificiels, bien qu'innovants, montrent des signes de fatigue après seulement quelques minutes d'utilisation, une limitation qui souligne leur infériorité par rapport aux muscles naturels en termes de force et d'endurance. De plus, la dépendance à un milieu liquide pour maintenir les tissus en vie restreint l'autonomie et l'applicabilité de ces systèmes dans des environnements réels. Ces contraintes techniques posent la question de la viabilité à long terme de cette approche, notamment face aux alternatives purement synthétiques qui pourraient offrir une meilleure robustesse et une plus grande facilité d'utilisation.
Sur le plan scientifique, cette recherche ouvre des perspectives fascinantes, notamment dans le domaine médical. La capacité à cultiver et à intégrer des tissus biologiques dans des dispositifs artificiels pourrait révolutionner la médecine régénérative, offrant des solutions potentielles pour les patients nécessitant des greffes ou des prothèses. Cependant, les défis liés à la vascularisation et à la maintenance des tissus biologiques restent des obstacles majeurs. Sans une avancée significative dans la création de réseaux vasculaires artificiels, la viabilité des organes ou des tissus biohybrides à grande échelle reste incertaine.
D'un point de vue éthique, cette technologie soulève des interrogations profondes sur la frontière entre le biologique et...
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