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Robô com músculos de verdade

Pesquisadores criam equipamento que se move graças a tecidos de ratos implantados em uma estrutura feita em impressora 3D

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postado em 02/07/2014 14:00 / atualizado em 02/07/2014 10:20

Roberta Machado

Pesquisadores dos Estados Unidos criaram uma estrutura robótica fabricada a partir de tecido muscular esquelético, usando bioengenharia e uma impressora 3D. A máquina viva descrita na edição desta semana da revista Pnas é feita de uma mistura de hidrogel com o mesmo tipo de células encontradas em mamíferos e se move quando estimulada por cargas elétricas. O experimento, primeiro do tipo, pode acelerar o desenvolvimento da tecnologia que troca o metal por células animais. No futuro, defendem os autores, o método pode ser aprimorado para a criação de implantes inteligentes e de uso médico totalmente compatíveis com a estrutura do organismo humano.

O robô de apenas 6mm lembra uma lagarta. A estrutura básica do dispositivo é materializada a partir de uma impressora tridimensional, e, depois, esse arcabouço é preenchido com mioblastos, células percursoras das fibras musculares, de ratos. A mistura é completada com proteínas de fibrina e colágeno (presentes na cicatrização animal), um hidrogel e um fator de crescimento. A receita resulta em uma tira muscular tridimensional que fica presa por dois pilares da estrutura original, projetados para fazer o papel exercido pelos tendões nos organismos vivos.

“Tecidos biológicos evoluíram por milhões de anos para executar funções específicas. Estamos tentando empregar as propriedades deles para construir máquinas”, afirma Rashid Bashir, pesquisador da Universidade de Illinois e principal autor do artigo. “Se pudermos aprender a usar o potencial da biologia para projetar e construir máquinas que podem executar funções úteis, vamos avançar nesse novo campo de máquinas celulares e biológicas”, acrescenta.

Contração
O pulso elétrico descarregado no robô atua como os sinais que estimulam estruturas vivas reais, induzido a contração e o alinhamento das células. A cada carga aplicada, os conjuntos de mioblastos reagem e fazem o dispositivo se arquear. Depois, eles relaxam, voltando ao estado natural. A repetição dessa rotina em uma baixíssima voltagem faz com que a máquina se arraste como uma minhoca.

A grande dificuldade apontada pelos pesquisadores foi produzir a força necessária para que a estrutura saísse do lugar. Os cientistas também tiveram de testar vários modelos até descobrir qual faria o robô se mover mais rapidamente. “A impressão 3D foi importante porque pudemos criar e imprimir diferentes designs em uma abordagem de engenharia avançada”, ressalta Bashir. O grupo experimentou estruturas simétricas e de lados com tamanhos diferentes para testar os diversos desenhos. Um projeto com lados desiguais fez com que um dos pilares do músculo se deslocasse mais com a contração, direcionando o conjunto.

A assimetria provou ser até 25 vezes mais rápida que os projetos de lados iguais. O modelo mais ágil alcançou a velocidade de 1,5 comprimento de corpo por minuto. A marca, 15 vezes mais lenta que uma lesma, pode parecer insignificante, mas impressiona pela naturalidade com que a máquina se move. No vídeo divulgado pelos pesquisadores, é possível ver a lagarta híbrida se contorcendo e relaxando numa dinâmica fluida que nada lembra as desengonçadas máquinas feitas de metal e plástico.

“Esse trabalho representa um importante passo no desenvolvimento e no controle de máquinas biológicas que podem ser estimuladas, treinadas ou programadas para trabalhar”, ressalta Caroline Cvetkovic, pesquisadora do Departamento de Bioengenharia da Universidade de Illinois e coautora do trabalho. “Para uma máquina ser capaz de executar funções mais elaboradas, ela precisa ser apta a se mover e a produzir força, então nós começamos tentando controlar máquinas baseadas em músculos. É natural que começássemos de um princípio de design biomimético, tal como a organização inata do sistema musculoesquelético como um ponto de partida”, analisa.

Referência natural
Cientistas trabalham em projetos baseados em modelos biológicos há muitos anos, e, recentemente, essa linha de pesquisa rendeu frutos impressionantes. Os estudos exploram o uso de DNA, bactérias, tecidos e até mesmo esperma para obter movimento a partir de um estímulo externo. Alguns exemplos são mecanismos que lembram águas-vivas móveis feitas de músculo cardíaco produzido em laboratório.

Essa matéria-prima natural é dotada de uma habilidade inata de sentir e processar sinais e produzir força — algumas das funções fundamentais da engenharia que nem sempre podem ser reproduzidas com simplicidade em um sistema artificial. Na teoria, máquinas biológicas seriam capazes de se adaptar ao ambiente e interagir com organismos vivos.

“Temos de mover na direção da próxima geração de materiais inteligentes, e estruturas biológicas são candidatas ideais para essa nova era de fabricação e design”, defende Ritu Raman, pesquisadora da Universidade de Illinois e também autora do estudo. O tecido musculo-esquelético usado no recente experimento exige um controle mais preciso, mas tem uma metodologia de fabricação flexível, que permite o uso de diversos tipos de células. Com ela, seria possível até mesmo integrar tecidos vascularizados a uma máquina biológica e distribuir nutrientes e oxigênio ao músculo que faz o dispositivo se mover.

Os autores do trabalho preveem que a nova técnica pode ser empregada na criação de máquinas que fazem todo o tipo de movimento, como bombear ou nadar. “Podemos ir além, usando as habilidades dinâmicas das células de se reorganizarem e responderem a estímulos ambientais para impulsionar sistemas biológicos não naturais”, antecipa Raman.

A tecnologia tem aplicação certa também na área da medicina, que faria bom uso de uma geração de equipamentos especialmente projetados para administrar medicamentos, realizar cirurgias e até mesmo atuar como implantes inteligentes. Os robôs feitos a partir de tecido animal teriam ainda utilidade na interação com outros tipos de materiais, como na construção de sensores ambientais ou na compreensão dos princípios que a natureza impõe aos sistemas vivos de verdade.

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