Un robot biohybride propulsé par des muscles cultivés bat des records de vitesse

Des chercheurs de l’Université nationale de Singapour ont développé OstraBot, un robot nageur alimenté par du tissu musculaire cultivé en laboratoire qui atteint 467 millimètres par minute. Leur performance, trois fois supérieure aux précédentes, résulte d’une méthode d’auto-entraînement innovante exploitant les contractions spontanées des cellules musculaires. L’étude, publiée dans Nature Communications, ouvre la voie à des systèmes biodégradables pour la surveillance environnementale et les applications médicales.

La robotique biohybride franchit une étape significative avec la mise au point d’un système de propulsion musculaire qui surpasse toutes les performances précédentes. L’équipe de l’Université nationale de Singapour, dirigée par le professeur assistant Tan Yu Jun, a conçu un dispositif dont la vitesse de nage atteint 467 millimètres par minute, établissant un nouveau record dans cette catégorie émergente.

L’exploitation d’un phénomène biologique négligé

La véritable innovation ne réside pas seulement dans la vitesse obtenue, mais dans l’approche méthodologique adoptée par les chercheurs. Pendant des années, la communauté scientifique considérait les contractions spontanées des cellules musculaires squelettiques en cours de maturation comme un simple phénomène biologique sans utilité pratique. L’équipe singapourienne a inversé la perspective en transformant ce comportement en un mécanisme d’entraînement intégré.

Le dispositif conçu couple mécaniquement deux anneaux de tissu musculaire via un bloc coulissant. Lorsqu’un tissu se contracte, il étire l’autre, déclenchant une contraction en retour. Ce système reproduit le principe d’un bras de fer perpétuel, générant des cycles continus de raccourcissement et d’allongement. Fonctionnant de manière autonome pendant la première semaine de maturation cellulaire, ce processus a produit des muscles développant une force maximale de 7,05 millinewtons et une contrainte de 8,51 millinewtons par millimètre carré.

« L’objectif de cette étude n’était pas simplement de construire un robot plus rapide, mais d’éliminer un obstacle fondamental dans le domaine et d’ouvrir la voie à des systèmes biohybrides haute performance conçus dans une optique de durabilité », explique Tan Yu Jun.

De la physiologie à l’optimisation mécanique

Inspiré par la nage du poisson-coffre, qui maintient son corps rigide tout en faisant osciller sa queue, OstraBot associe un anneau musculaire unique à deux appendices flexibles. Les chercheurs ont développé un modèle physiologique reliant la stimulation électrique, la signalisation calcique et l’activation musculaire à la production de force. Ce modèle a ensuite servi à optimiser deux paramètres clés : la rigidité des tendons et la fréquence de stimulation.

Les résultats montrent qu’avec une rigidité intermédiaire et une stimulation à 3 Hz, OstraBot atteint sa vitesse maximale. Le système démontre également une contrôlabilité précise : son rythme peut être ajusté en modulant l’intensité du champ électrique, et un dispositif déclenché par le son lui permet de démarrer et de s’arrêter en réponse à des claquements de mains.

Perspectives environnementales et médicales

Les travaux actuels de l’équipe se concentrent sur le remplacement de tous les matériaux structurels du robot par des alternatives biodégradables. L’orientation répond à une préoccupation croissante dans le domaine de la robotique biohybride : la compatibilité environnementale des dispositifs.

Les applications potentielles se situent dans deux domaines principaux :

• La surveillance environnementale, avec des capteurs déployés dans des écosystèmes sensibles comme les récifs coralliens ou les zones humides
• La médecine, avec des outils implantables temporaires qui se dissolvent dans l’organisme après avoir accompli leur fonction

« En définitive, nous visons à développer des machines biohybrides qui soient non seulement performantes, mais aussi responsables sur le plan environnemental de par leur conception », précise Tan Yu Jun.

Un tournant dans l’ingénierie tissulaire

Leur avancée marque un changement de paradigme dans l’utilisation des tissus biologiques cultivés en laboratoire. En exploitant les propriétés intrinsèques des cellules musculaires plutôt qu’en cherchant à les contraindre, les chercheurs ont ouvert une voie plus naturelle et potentiellement plus efficace pour l’intégration du vivant dans les systèmes mécaniques.

La méthode d’auto-entraînement développée pourrait trouver des applications au-delà de la robotique nageuse, notamment dans le développement de prothèses musculaires ou de systèmes d’assistance pour la rééducation. La capacité à générer des forces importantes avec des tissus cultivés constitue également un progrès significatif pour l’ingénierie tissulaire en général.

Les défis restent cependant nombreux. La durée de vie des tissus cultivés, leur stabilité à long terme et leur intégration dans des systèmes plus complexes nécessiteront des recherches approfondies. La transition vers des matériaux entièrement biodégradables représente également un défi technique majeur, nécessitant le développement de nouveaux polymères compatibles avec les tissus biologiques tout en offrant les propriétés mécaniques requises.

La recherche ici s’inscrit dans un mouvement plus large visant à rapprocher la robotique des systèmes biologiques, non seulement pour améliorer les performances, mais aussi pour créer des dispositifs plus respectueux de l’environnement et mieux intégrés aux écosystèmes naturels. La vitesse record d’OstraBot n’est peut-être que le premier signe d’une transformation plus profonde dans la manière dont nous concevons les machines du futur.