Fra laboratoriene ved ETH Zürich baner et nytt muskel-bein-grensesnitt vei for myke, presise roboter som kan integreres med kroppene våre.

Moderne robotikk gjennomgår en dyp nytenkning. Etter flere tiår dominert av stive strukturer, elektriske motorer og mekaniske mekanismer, er det økende interesse for systemer som er i stand til å tilnærme seg oppførselen til levende vev. Dette er konteksten der den nyeste forskningen av Myk robotikklaboratorium ved ETH Zürich, som har utviklet et biohybridsystem som er i stand til å gjenskape det biologiske grensesnittet mellom muskler, sener og bein, noe som forbedrer kraftoverføringen betydelig. Denne bragden markerer et konkret skritt mot muskel- og skjelettroboter mer effektive og mot nye biomedisinske anvendelser.

Arbeidet, publisert i juli 2025 i tidsskriftet «Science Advances», er resultatet av et tverrfaglig samarbeid som også involvererInstitutt for bioteknologi i Catalonia ogUniversitetet i BarcelonaI sentrum av studien står den funksjonelle rekonstruksjonen av den såkalte myotendinøs kryss, det kritiske punktet der muskelen overfører kraften sin til senen og deretter til beinet. I naturlig biomekanikk er denne overgangen viktig for å sikre presisjon, spenst og fin kontroll over bevegelsen.

Når biologi blir funksjonell arkitektur

Biologiske muskler kombinerer egenskaper som tradisjonell robotikk sliter med å gjenskape: forhøyet potensitet, fleksibilitet, mikrokontrollmuligheter og, til en viss grad, selvreparasjon. Integrering av levende vev med syntetiske komponenter utgjør imidlertid et betydelig strukturelt problem: ineffektiv overføring av krefter i grensesnittet mellom myke og stive materialer, noe som genererer energitap og ustabilitet. Gruppen ledet av professor Robert Katzschmann Han adresserte dette kritiske problemet ved å hente direkte inspirasjon fra menneskets anatomi.

«I naturen fungerer senen som et overgangselement, med en mellomliggende stivhet mellom muskel og bein».

spiega Miriam Filippi, førsteforfatter av studien og forsker ved ETH Zürich.

«Vi reproduserte dette prinsippet ved hjelp av en 3D-printet biohybridaktuator, der muskelvev og senevev er integrert med en syntetisk beinstruktur.»

Løsningen er basert på 3D-bioprinting av muskelceller og bindevevsceller, organisert i en geometri optimalisert gjennom beregningsanalyse. Resultatet er en levende muskel-sene-enhet, i stand til repeterbare og stabile sammentrekninger over tid, forankret til et stivt segment som simulerer bein. I laboratorietester har disse aktuatorene vist en overføring av kraft betydelig høyere enn tidligere biohybridløsninger.

Et skritt fremover mot muskel- og skjelettroboter

Forskningens innvirkning går utover den enkelte prototypen. Ifølge professor Katzschmann,

«Denne studien legger grunnlaget for funksjonelle biohybridsystemer som på en troverdig måte forbinder biologi og robotikk. Det er et viktig skritt mot roboter utstyrt med ekte muskler og sener, som er i stand til å samhandle med omgivelsene sine mer naturlig.»

Uttalelsen gjenspeiler et paradigmeskifte: ikke lenger bare å etterligne biologi med syntetiske materialer, men integrere levende vev innenfor tekniske systemer.

Fra et ingeniørperspektiv muliggjør tilstedeværelsen av en bioprintet sene med kontrollert stivhet bedre håndtering av variable belastninger og komplekse bevegelser. Dette aspektet er spesielt relevant for samarbeidende robotikk og assisterende, der sikkerhet og tilpasningsevne til menneskelig kontakt er sentrale krav. En robotarm utstyrt med biohybridaktuatorer kan i fremtiden modulere kraft på samme måte som et menneskelig lem, gripe skjøre gjenstander eller reagere på uventede stimuli.

Eksperimentelle data viser at aktuatorene opprettholder kontraktil kapasitet over lengre perioder, et essensielt element for enhver reell applikasjon. Selv om systemet fortsatt krever kontrollerte laboratorieforhold, representerer den demonstrerte stabiliteten et fremskritt i forhold til tidligere forsøk. bioaktuatorer basert på kultiverte muskler.

Veien fra robotikk til regenerativ medisin

De mest umiddelbare implikasjonene kan dukke opp innen det medisinske feltet. Muligheten for å reprodusere funksjonelle muskel-sene-enheter in vitro åpner nye veier for regenerativ medisin og for biomekanisk modellering. Et eksempel forskerne siterer gjelder mellomøret, hvor samspillet mellom det lille stigbøylen og stapediusmuskelen spiller en avgjørende rolle i å beskytte hørselen.

«Arbeidet vårt viser hvordan konstruert biologisk vev kan brukes til å reprodusere mekanikken i naturlige muskel- og skjelettsystemer.»

ETH-akademikeren understreker videre.

«Dette er relevant ikke bare for myk robotikk og bioinspirert teknologi, men også for utvikling av biohybridimplantater og vevsutskiftninger dyrket i laboratoriet.»

Fremover kan slike modeller redusere behovet for dyreforsøk og forbedre utformingen av adaptive proteser.

I europeisk sammenheng er forskning en del av en bredere strategi for konvergens mellom biovitenskap og avansert ingeniørfag, støttet de siste årene av finansieringsprogrammer rettet mot tverrfaglig innovasjon. Det føderale polytekniske instituttet i Zürich, spesielt, er bekreftet som et av de viktigste knutepunktene i denne transformasjonen, med implikasjoner som spenner fra industriell robotikk til helse.

Fremtidsscenarier mellom etikk, skala og virkelige anvendelser

Til tross for fremskritt gjenstår det betydelige spørsmål. Skalerbarheten til levende vevbaserte systemer, deres langsiktige vedlikehold og de etiske implikasjonene av å bruke biologiske celler i tekniske apparater er temaer som vil kreve omfattende diskusjon. Videre vil overgangen fra laboratorie- til driftsmiljøer kreve løsninger for å drive, kontrollere og beskytte biologiske komponenter.

Likevel antyder arbeidet til Soft Robotics Lab en klar retning: innovasjon innen robotikk kommer ikke bare fra mer sofistikerte algoritmer, men også fra en dypere forståelse av mekanikken til levende tingÅ integrere ekte muskler og sener i kunstige systemer betyr å bevege seg nærmere maskiner som er i stand til å bevege seg, tilpasse seg og samhandle på måter som er mer i tråd med menneskelig erfaring. Denne horisonten, som spenner over robotikk og medisin, omdefinerer selve grensen mellom naturlig og kunstig.

Biomimetisk robothånd: hvordan senedrevet teknologi fungerer

Robor «Faive Hand» biomimetisk kabel med rullende kontaktledd

Her er tre innsikter som kan interessere deg:

Slik kan Atlas-roboten allerede jobbe og samhandle med oss
NEOM og Samsung: robotikk for å revolusjonere konstruksjon
Ascento, robotteknologi for perimetersikkerhet