Czy uda nam się stworzyć sztuczne mięśnie?

Od strony biologicznej mięśnie są narządami, w które ewolucja wyposażyła wyższe bezkręgowce i wszystkie kręgowce. W ludzkim ciele mięśnie są przymocowane do szkieletu, a ich działanie jest z nim sprzężone. Budowa i kształt każdego mięśnia tak naprawdę zależy od tego, za co jest odpowiedzialny.

We wszystkich podręcznikach od biologii można znaleźć podział mięśni na: gładkie, poprzecznie prążkowane i sercowe. Mięśnie gładkie pracują autonomicznie, czyli niezależnie od naszej woli – wyściełają narządy wewnętrzne, np. oskrzela czy pęcherz moczowy. Mięśnie poprzecznie prążkowane to mięśnie szkieletowe, które kurcząc i rozkurczając się, odpowiadają za ruch ciała. Wyjątkowy jest mięsień sercowy, który z wyglądu przypomina mięsień poprzecznie prążkowany, ale pracuje autonomicznie, niezależnie od naszej woli (jak mięsień gładki). Przekłada się to nawet na 2,5 miliarda uderzeń i 170 milionów litrów przepompowanej krwi w ciągu życia.

O mięśnie szkieletowe można dbać poprzez regularną aktywność fizyczną, choć czasami można je także przetrenować – gdy gromadzi się w nich kwas mlekowy mamy tzw. zakwasy. Niestety, istnieje także szereg chorób, w wyniku których mięśnie przestają działać prawidłowo, co może stanowić bezpośrednie zagrożenie dla życia. Naukowcy od dawna starają się stworzyć sztuczne mięśnie, które mogłyby wspomagać pracę tych naturalnych, ale także posłużyć jako podstawa dla zaawansowanych robotów humanoidalnych.

Kiedy mięśnie szwankują

Choroby mięśni są ogólnie określane mianem miopatii. Stanowią one dużą grupę chorób o różnorodnych przyczynach, przebiegu i rokowaniu. Ich wspólną cechą jest osłabienie mięśni lub samego mechanizmu ich pracy. Mogą mieć podłoże genetyczne – szczególnie niebezpieczne są tzw. dystrofie mięśniowe, które wynikają z nieprawidłowej budowy miocytów (np. z powodu braku jednego ze składników). Miopatie mogą mieć także charakter nabyty – towarzyszyć chorobom zapalnym, endokrynologicznym lub wynikać z uszkodzenia mięśni przez leki, lub alkohol.

W przypadku miopatii dochodzi do osłabienia mięśni, najczęściej ud i ramion. Osoby dotknięte chorobą mają trudności z wchodzeniem po schodach, a nawet wstawaniem z łóżka. Nie mogą także wykonywać czynności z rękami uniesionymi do góry, choćby układania włosów. Przy podejrzeniu wystąpienia miopatii przeprowadza się badania laboratoryjne krwi, obejmujące m.in. stężenie elektrolitów, TSH, CRP i kinazy kreatynowej. Ten ostatni jest czułym wskaźnikiem rozpadu mięśni i może być zwiększony w miopatiach spowodowanych uszkodzeniem nerwów, np. SLA czy polineuropatii.

Opracowanie wiernego modelu mięśni w warunkach laboratoryjnych pozwoliłoby naukowcom nawet nie tyle na tworzenie „części zamiennych”, ile na szczegółowe poznanie wszystkich niuansów mechanizmu skurczu. Trzeba pamiętać, że mechanizm ślizgowy występujący podczas skurczu mięśnia jest niezwykle skomplikowany, zależny od różnych białek i czynników aktywnych biologicznie. Ale właściwie jak przebiega?

Skurcz mięśnia jest konsekwencją przesuwania się względem siebie filamentów aktynowych (cienkich) i miozynowych (grubych). Pod wpływem impulsów nerwowych, które docierają do miocytów (komórek mięśniowych), dochodzi do depolaryzacji ich błon komórkowych. Jony wapnia zmagazynowane w siateczce sarkoplazmatycznej zostają uwolnione i łączą się z białkiem zwanym troponiną. Odsłania się centrum aktywne aktyny, co umożliwia ich połączenie z głowami miozyny i jednoczesna aktywacja enzymu hydrolizującego ATP. Energia chemiczna jest zamieniana na energię mechaniczną, powodując zmianę położenia głów miozynowych względem aktynowych. Powoduje to przeciągnięcie filamentu aktynowego względem miozynowego i przesunięcie się ich. Warto jednak zaznaczyć, że podczas skurczu nie zmienia się długość samych filamentów, tylko ich położenie.

Na każdym z etapów skurczu mięśnia mogą wystąpić nieprawidłowości, wywołujące miopatie lub inne choroby lokomotoryczne. Można się łatwo domyślić, że znalezienie problemu otwiera nowe opcje terapeutyczne, a więc i zwiększa szanse na wyleczenie. Niestety, pomimo znacznych postępów w medycynie w ciągu ostatniej dekady, sztuczne mięśnie wciąż pozostają w sferze „planów” biotechnologów i inżynierów biomedycznych.

Sztuczne mięśnie dla robotów

Sztuczne mięśnie to nie melodia przyszłości – one już istnieją! Podobnie jak ich naturalne odpowiedniki, sztuczne mięśnie kurczą się w odpowiedzi na impulsy elektryczne. Nie są one jednak zbudowane z komórek i włókien, a z woreczków wypełnionych płynem (zwykle olejem), które są pokryte elektrodami. Pojedynczy woreczek jest odpowiednikiem krótkiego pasma włókien mięśniowych – łącząc kilka z nich, można stworzyć funkcjonalną jednostkę napędową, zwaną siłownikiem lub po prostu sztucznym mięśniem.

W budowaniu sztucznych mięśni do tej pory istniała poważna przeszkoda: siłowniki działały tylko przy ekstremalnie wysokich napięciach wynoszących ok. 6-10 tys. V. To oznaczało, że musiały być podłączone do dużych, ciężkich wzmacniaczy napięcia, nie nadawały się do użycia w wodzie i nie były całkowicie bezpieczne dla ludzi. Naukowcom z ETH Zurich pod kierunkiem prof. Roberta Katzschmanna udało się obejść ten problem, a swoją wersję sztucznego mięśnia nazwaną HALVE (Hydraulically Amplified Low-​Voltage Electrostatic) opisali w Science Advances.

W HALVE zastosowano materiał ferroelektryczny o wysokiej przenikalności, czyli taki, który może magazynować stosunkowo duże ilości energii elektrycznej, a następnie pokryto go powłoką polimerową o znakomitych właściwościach mechanicznych. Udało się znacznie obniżyć wymagane napięcie do „skurczu”, ponieważ przenikalność ferroelektryka pozwala na przyłożenie dużych sił pomimo niskiego napięcia.

Działanie HALVE zademonstrowano na dwóch różnych obiektach. Jednym z nich jest 11-centymetrowy chwytak z dwoma palcami – każdy poruszany przez trzy połączone szeregowo kieszenie siłownika i mały zasilacz o napięciu 900 V. Całość waży zaledwie 45 g, więc może znaleźć zastosowanie w miniaturowych robotach przyszłości. Chwytak może złapać gładki plastikowy przedmiot na tyle mocno, aby utrzymać swój własny ciężar, gdy przedmiot jest podnoszony w powietrze za pomocą sznurka.

Drugim jest 30-centymetrowy pływak przypominający rybę, który może płynnie poruszać się w wodzie. Składa się z „głowy” zawierającej elektronikę i elastycznego „ciała”, do którego przymocowane są siłowniki HALVE. Te poruszają się naprzemiennie w rytmie, który wytwarza ruch przypominający pływanie ryby. Robot może przejść od stanu spoczynku do prędkości 3 cm/s w ciągu 14 s – i to w normalnej wodzie z kranu.

Ważny jest także materiał, z którego jest zbudowany sztuczny mięsień. Już wcześniej udało się stworzyć twarde ceramiczne siłowniki ferroelektryczne, ale były one za sztywne do zastosowań w robotyce. Wydawało się, że dobrą alternatywą są polimery ferroelektryczne – tańsze, lżejsze i bardziej elastyczne, a także wywierające również znacznie więcej naprężeń indukowanych polem elektrycznym w porównaniu do swoich ceramicznych odpowiedników. Jednak generują one o wiele mniejszą siłę, co poważnie limitowało ich praktyczne zastosowania – aż do teraz. Naukowcy z Penn State University stworzyli nową klasę kompozytowych polimerów ferroelektrycznych, które mogą pokonać dotychczasowe ograniczenia, co opisali w Nature Materials.

Polacy też swoje sztuczne mięśnie mają

Swoje sukcesy w pracach nad sztucznymi mięśniami mają także Polacy. Łukasz Koźlik z Politechniki Wrocławskiej i jego współpracownicy ze start-upu Clone Incorporated (Automaton Robotics) opracowali robotyczne ramię, w którym zastosowano syntetyczne mięśnie pozwalające operować przedmiotami. Urządzenie, choć samo waży zaledwie 1,22 kg, może podnieść hantle o masie 7 kg i zużywa maksymalnie 200 W energii elektrycznej. Ramię jest wciąż dopracowywane, bo brakuje w nim ponad połowy mięśni, które znaleźć można w ludzkiej kończynie, m.in. mięśnia odpowiedzialnego za zginanie palców. Wszystko jeszcze przed młodymi wynalazcami, a ich nadrzędnym celem jest opracowanie zaawansowanych protez ramion i stworzenie humanoidalnych robotów, które będą służyć ludziom.

Obecnie stworzenie sztucznych mięśni na masową skalę jest wyzwaniem nie biologicznym, a technologicznym. Odtworzenie skomplikowanej struktury włókien miozynowych i aktynowych w warunkach laboratoryjnych wydaje się wręcz niemożliwe, ale stworzenie struktur i protez, które – w razie urazu – je zastąpią, wydaje się kwestią czasu. Jest jeszcze wiele problemów do rozwiązania, m.in. opracowanie materiałów o odpowiedniej wytrzymałości czy kontrola nad siłą skurczu. Można się jednak spodziewać, że w nadchodzącej dekadzie część z nich zostanie rozwiązana, a na postępach w tworzeniu sztucznych mięśni zyskają nie tylko ludzie, ale i roboty.