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Los robots blandos modernos de última generación pueden imitar las estructuras jerárquicas y la dinámica muscular de muchos organismos vivos, como las medusas1,2, rayo de picadura2, pulpo3, bacteria4y espermatozoides5. Imitar la dinámica y arquitectura de los sistemas naturales ofrece un mayor rendimiento en términos de eficiencia energética y estructural6. Esto está intrínsecamente relacionado con la naturaleza blanda del tejido natural (por ejemplo, piel o tejido muscular con un módulo de Young entre 104x 109 Pa) que permite mayores grados de libertad y deformación superior y adaptabilidad en comparación con los actuadores de ingeniería estándar (por ejemplo, un módulo de Young generalmente entre 109x 1012 Pa)6. Los actuadores blandos a base de músculo cardíaco, especialmente, muestran una eficiencia energética superior debido a su auto-accionamiento, así como a su potencial de autoreparación y regeneración en comparación con un sistema robótico basado mecánicamente7. Sin embargo, la fabricación de robots blandos es un reto debido a la necesidad de integrar diferentes componentes con diferentes propiedades físicas, biológicas y mecánicas en un solo sistema. Por ejemplo, los sistemas sintéticos de ingeniería deben integrarse con los sistemas biológicos vivos, no sólo proporcionándoles apoyo estructural, sino también influyendo y modulando su comportamiento de actuación. Además, muchos métodos de microfabricación requieren procesos agresivos/citotóxicos y productos químicos que disminuyen la viabilidad y la función de cualquier componente vivo. Por lo tanto, son necesarios nuevos enfoques para mejorar la funcionalidad de los robots blandos y para controlar y modular su comportamiento.
Para integrar con éxito los componentes vivos con una buena viabilidad, un andamio a base de hidrogel es un excelente material para crear el cuerpo de un robot blando. Las propiedades físicas y mecánicas de un hidrogel se pueden ajustar fácilmente para crear microambientes para componentes vivos como los tejidos musculares8,9. Además, puede adoptar fácilmente diversas técnicas de microfabricación, dando como resultado la creación de estructuras jerárquicas con alta fidelidad1,2,10. Los dispositivos electrónicos flexibles se pueden incorporar al robot blando para controlar su comportamiento con estimulación eléctrica. Por ejemplo, las técnicas optogenéticas para diseñar células electrogénicas (por ejemplo, cardiomiocitos), que muestran una activación electrofisiológica dependiente de la luz, se han utilizado para desarrollar un rayo de picadura robótica suave basado en polidimetilsiloxano (PDMS) guiado por la luz que fue capaz de recrear el movimiento ondulatorio del pez in vitro2. Aunque las técnicas optogenéticas han demostrado una excelente capacidad de control, el trabajo presentado utiliza la estimulación eléctrica, un método de simulación convencional y tradicional. Esto se debe a que la estimulación eléctrica a través de microelectrodos flexibles es fácil y simple en comparación con las técnicas optogenéticas, que requieren procesos de desarrollo extensivos11. El uso de dispositivos electrónicos flexibles puede permitir la estimulación a largo plazo y procesos de fabricación estándar / simples, así como la biocompatibilidad ajustable y las propiedades físicas y mecánicas12,13.
Aquí, presentamos un método innovador para fabricar un robot blando bioinspirado, accionado por la paliza de tejido muscular cardíaco de ingeniería y controlado por la estimulación eléctrica a través de microelectrodos Au flexibles integrados. El robot blando está diseñado para imitar la estructura muscular y del cartílago del rayo de picadura. El rayo de picadura es un organismo con una estructura y movimiento relativamente fácil es fácil de imitar en comparación con otras especies de natación. Los músculos se recrean in vitro mediante la sembración de cardiomiocitos en un micropatrón de hidrogel conductor eléctrico. Como se informó anteriormente, la incorporación de nanopartículas conductoras eléctricas como LA CNT en el hidrogel GelMA no sólo mejora el acoplamiento eléctrico del tejido cardíaco, sino que también induce una excelente arquitectura de tejido in vitro y disposición8,9. Las articulaciones del cartílago se imitan utilizando un patrón de hidrogel PEGDA mecánicamente robusto que actúa como el sustrato mecánicamente robusto de todo el sistema. Los microelectrodos Au flexibles con un patrón de serpentina están incrustados en el patrón PEGDA para estimular localmente y eléctricamente el tejido cardíaco.