Réglage des fils de collagène pour les robots biohybrides

Réglage des fils de collagène pour les robots biohybrides

Des fils de collagène solides et flexibles avec des propriétés personnalisables peuvent jouer un rôle dans une nouvelle génération de robotique douce. Crédit : Collège d’ingénierie, Université Carnegie Mellon

L’idée d’incorporer de vrais muscles ou neurones dans un système robotique peut sembler de la science-fiction, mais les chercheurs du département de génie mécanique de l’Université Carnegie Mellon prennent des mesures pour en faire une réalité.

Ce domaine, connu sous le nom de robotique biohybride, est le point central du Biohybrid and Organic Robotics Group (BORG), dirigé par Victoria Webster-Wood, professeure adjointe en génie mécanique.

« Notre objectif ultime est de pouvoir utiliser des matériaux biologiques comme matériaux d’ingénierie en robotique pour créer des robots renouvelables et biodégradables », dit-elle.

Dans un article publié en La revue de génie biomédical, Ph.D. L’étudiant Wenhuan Sun visait à mieux comprendre comment fabriquer des fils de matériau à utiliser dans ces robots spéciaux. Les fils sont fabriqués à partir de collagène, une protéine naturelle présente dans les tissus structurels comme la peau, les ligaments et les tendons.

Essentiellement, le but de cette recherche était de mieux comprendre comment fabriquer un tendon artificiel à utiliser sur un robot. Dans notre corps, les tendons relient les muscles aux os et sont plutôt forts. Cela signifie que ces fils de collagène pourraient être utilisés dans un but très similaire dans un robot, en connectant des actionneurs musculaires vivants au robot, en l’aidant à marcher, sauter ou nager.

Mais les propriétés mécaniques des matériaux du robot peuvent avoir un effet important sur la croissance et les performances des actionneurs musculaires vivants.

Cela signifie que Sun devrait non seulement comprendre comment créer au mieux ces fils de collagène, mais également explorer comment ajuster leurs propriétés mécaniques. Selon ce que vous voulez que votre robot fasse, vous aurez peut-être besoin d’un matériau qui ressemble davantage à des muscles ou à des tendons.

Les fils de Sun ont été créés à l’aide d’une technique appelée électrocompaction. Il a d’abord été développé pour être utilisé dans l’ingénierie tissulaire, et est maintenant affiné par des groupes comme le BORG

Pour créer les fils, les fibres de collagène sont déplacées à travers un type spécial de cellule appelée cellule d’électrocompaction, grâce à la charge qu’elles portent naturellement. Les fibres finiront par se compacter au cours du processus, créant des fils de collagène électrochimiquement alignés (ELAC).

Sun voulait étudier dans quelle mesure vous pouviez régler ce processus de compactage pour créer différents fils, afin de diversifier le processus de fabrication dans son ensemble. Les travaux antérieurs de l’ingénierie tissulaire se sont principalement concentrés sur la fabrication des fils les plus résistants et ressemblant à des tendons. La robotique biohybride demande un peu plus de nuance et de finesse.

Lorsqu’ils sont compactés pour la première fois, les fils sont étonnamment cassants et difficiles à travailler, pas encore robustes comme les tendons naturels. Sun a raconté la difficulté d’essayer de placer les fils compactés dans un récipient. « Parce qu’il y a de l’électricité statique autour du récipient en plastique, le fil veut s’accrocher ou coller de chaque côté des murs. Cela rend les choses très difficiles », a-t-il expliqué.

Même si les fils peuvent être assez longs – Sun en a créé un qui mesurait jusqu’à 40 centimètres (environ 15 pouces) – ils sont incroyablement fins. Les largeurs variaient d’environ 50 à 100 microns, soit environ celle d’un cheveu humain.

Avec le temps et la pratique, il a pu réaliser une série d’expériences déterminant comment un ensemble de paramètres de fabrication affecte le fil résultant. Il a également étudié les interactions entre ces paramètres et a pu obtenir un large éventail de propriétés accordables.

Même si les résultats étaient quelque peu attendus – plus de temps passé à permettre aux fils de se compacter a conduit à des fils plus forts et plus gros, par exemple – cette étude était la première preuve vérifiable des suppositions de l’équipe et aidera les futurs chercheurs à concevoir et sélectionner des matériaux de collagène électrocompactés leur propre travail. Sun a également été en mesure de former un réseau de neurones profonds afin de recommander des paramètres de fabrication spécifiques en fonction des propriétés mécaniques qu’un chercheur particulier pourrait souhaiter.

Pour les prochaines étapes, Sun vise à alimenter les fils dans une imprimante 3D afin qu’ils puissent être utilisés pour créer différentes formes et structures. Il travaille actuellement aux côtés d’Adam Feinberg, professeur de génie biomédical et de science et ingénierie des matériaux, pour faire exactement cela. La force des fils de collagène compactés signifie qu’ils pourraient être utilisés pour un ensemble d’applications plus large que les impressions douces, spongieuses et musculaires, et aideront probablement une nouvelle génération de robots biohybrides à décoller, littéralement.


Les microfibres imprimées en 3D pourraient fournir une structure pour les parties du corps cultivées artificiellement


Plus d’information:
Wenhuan Sun et al, Réglage des propriétés mécaniques et géométriques des fils de collagène alignés électrochimiquement vers des applications en robotique biohybride, Journal de génie biomécanique (2021). DOI : 10.1115/1.4049956

Fourni par Carnegie Mellon University Génie mécanique

Citation: Réglage des fils de collagène pour les robots biohybrides (2021, 2 juillet) récupéré le 2 juillet 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-07-tuning-collagen-threads-biohybrid-robots.html

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