Résumé :
Une équipe de recherche de l'Institut d'automatisation de Shenyang, de l'Académie chinoise des sciences, a récemment développé une « raie manta robotique » miniature sans fil et contrôlée par la lumière, dont les nageoires de propulsion sont entraînées par de véritables muscles squelettiques prélevés sur les pattes de ouaouarons. Cette recherche utilise directement le tissu biologique comme actionneur, ce qui constitue une exploration de pointe dans le domaine des robots biosyncrétiques. Les résultats pertinents ont été publiés dans "Advanced Functional Materials".
L'équipe de recherche a extrait le muscle gracilis de la patte d'un ouaouaron commun comme actionneur. Dans des conditions de stimulation électrique optimisées (1 Hz, 5 V, 10 ms par impulsion), le muscle peut produire une force de contraction stable d'environ 6,5 N avec une amplitude de contraction d'environ 25 % ; sous une stimulation plus forte, les forces maximales peuvent atteindre 9,4 N. Le tissu est resté électriquement réactif pendant 11 jours et a pu piloter le robot de manière fiable pendant environ sept jours.
À la différence des protocoles précédents qui utilisaient une culture en laboratoire ou des tissus musculaires reconstruits, cette étude utilisait directement du muscle squelettique intact naturellement isolé. Les chercheurs ont souligné que les fibres musculaires naturelles ont une structure d’arrangement très ordonnée, de sorte que les performances de contraction sont nettement meilleures que celles des faisceaux musculaires reconstruits par culture cellulaire. Cependant, une force de sortie insuffisante a toujours été un goulot d’étranglement majeur limitant la vitesse et la mobilité des robots existants entraînés par les muscles squelettiques.
Afin de s'affranchir des contraintes des systèmes de stimulation électrique filaires traditionnels, l'équipe a intégré des modules photovoltaïques à micro-arséniure de gallium (GaAs) à l'arrière de la raie manta robotisée et l'a irradiée avec un laser proche infrarouge de 808 nanomètres. L'unité photovoltaïque convertit les signaux lumineux en signaux électriques et les transmet aux nerfs à la surface des muscles pour déclencher des contractions ; les zones photovoltaïques des côtés gauche et droit peuvent être traitées indépendamment, et la contraction différenciée des muscles des deux côtés est obtenue en contrôlant le timing et la position de la lumière, complétant ainsi les commandes sans câble telles que l'avance, la rotation, les virages circulaires et en forme de U.
En termes de performances de mouvement, la vitesse moyenne en ligne droite de la raie manta du robot est de 0,54 longueurs de corps par seconde (environ 2,7 cm/s) et peut atteindre jusqu'à 2 longueurs de corps par seconde sur une courte période de temps. L’équipe de recherche a déclaré qu’il s’agissait de la vitesse d’avancement relative la plus élevée jamais enregistrée pour un robot biohybride entraîné par les muscles squelettiques. Son rayon de braquage minimum ne représente qu'un huitième de la longueur de son corps, sa vitesse angulaire maximale atteint 21 degrés par seconde et il lui faut environ 17 secondes pour boucler un cercle complet. En plus de naviguer en surface et de nager sous l'eau avec une charge (jusqu'à 5 grammes), le robot peut même se déplacer dans des courbes lentes sur des surfaces rigides.
Les chercheurs ont déclaré que c'était la première fois qu'un muscle squelettique naturel isolé était couplé à un système de stimulation nerveuse photoélectrique sans fil, vérifiant ainsi la faisabilité du tissu musculaire naturel en tant qu'actionneur biologique haute performance. Cette voie technique ne se limite pas à la configuration des raies manta : les actionneurs musculaires naturels devraient s'adapter à d'autres structures de robots, et le système de contrôle sans fil « optique-électrique » offre un moyen de contrôler les actionneurs biologiques sans avoir besoin de fils externes permanents.
Au niveau des applications, l'équipe estime que ce type de petit robot propulsé par des ailerons est adapté à la surveillance de l'environnement en eaux peu profondes et à l'observation à faible perturbation de la vie aquatique, et peut éviter les interférences causées par les hélices des robots sous-marins traditionnels et les mécanismes rigides. En outre, le cadre de stimulation électrique développé pour maintenir une contraction efficace des muscles isolés peut également fournir une référence expérimentale pour la recherche sur la réadaptation musculaire in vitro et les systèmes de culture d'ingénierie tissulaire dynamique après une lésion nerveuse.
La principale limitation actuelle est la durée de vie des tissus biologiques et la dépendance à l'énergie externe : les muscles intégrés peuvent fonctionner de manière fiable pendant environ 7 jours et la réponse électrique peut durer jusqu'à 11 jours ; la stimulation sans fil nécessite toujours une alimentation continue et un contrôle par une source de lumière externe proche infrarouge. Dans la prochaine étape, l'équipe prévoit d'optimiser les stratégies de culture in vitro pour prolonger la durée de vie des muscles, de développer des électrodes à film flexible de type neurologique pour obtenir une distribution plus uniforme du signal électrique et d'essayer de combiner des systèmes photovoltaïques avec un stockage d'énergie intégré afin que le robot puisse stocker l'énergie lumineuse collectée et l'appeler en cas de besoin, plutôt que de s'appuyer entièrement sur un éclairage en temps réel.
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