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Des robots biologiques se déplacent grâce à des cellules cardiaques !

De nouveaux « biobots », ces robots biologiques, pourraient se mouvoir grâce à des cellules musculaires prélevées dans le cœur d'un jeune rat ! Leurs performances sont encore modestes, mais ce n'est qu'un début. 

Représentation du robot biologique développé par Vincent Chan. Ses mouvements sont générés par des cellules musculaires (muscle cells) provenant du cœur d'un embryon de rat, plus précisément de ses ventricules. Elles sont situées sous une couche d'hydrogel. © Elise A. Corbin Représentation du robot biologique développé par Vincent Chan. Ses mouvements sont générés par des cellules musculaires (muscle cells) provenant du cœur d'un embryon de rat, plus précisément de ses ventricules. Elles sont situées sous une couche d'hydrogel. © Elise A. Corbin

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Pour le commun des mortels, les robots se résument à un assemblage de matériaux divers mis en action par des moteurs électriques eux-mêmes gérés par des circuits intégrés, c’est-à-dire par de l’électronique. Avec cette description simplifiée, cette technologie semble être l’apanage des ingénieurs. Mais les adeptes de la biologie synthétique pourraient bien changer la donne. 

Pour preuve, Vincent Chan de l’université de l’Illinois, sous la direction de Rashid Bashir, vient de développer de petits engins autonomes qui peuvent se déplacer sans aucune électronique embarquée, et d’ailleurs sans composants métalliques. Les performances de ces biobots sont actuellement modestes, mais ils n’en sont qu’à leur tout début. Pour les construire, il faut entre autres se procurer un logiciel de conception graphique (par exemple Blueprint), une imprimante 3D, deux hydrogels et un embryon de rat. 

Le mode d’emploi est consultable dans la revue Scientific Reports. En attendant de les développer soi-même, voici comment nous pouvons décrire ces engins.

 
Ce biobot, le numéro 3, possède des jambes de 155 µm d’épaisseur. Grâce aux contractions des cellules cardiaques prélevées sur un rat, il peut se déplacer à une vitesse moyenne de 71 µm/s en réalisant des pas de 182 µm de long. Après 3 jours de culture, la fréquence de contraction des cellules valait encore 0,39 Hz. La barre d’échelle représente 1 mm. © Vincent Chan et al., 2012, Scientific Reports

Les biobots, ces robots biologiques aux jambes asymétriques

Ces robots biologiques disposent de deux « jambes » asymétriques prototypées dans l’imprimante et constituées d’un hydrogel Pegda 3400, une substance qui polymérise à la lumière. Les jambes sont reliées à une base cubique composée de Pegda 700 et située à 1 mm de l’extrémité de l’appendice locomoteur le plus court. Cependant, seuls les mouvements de la longue jambe, dont l’efficacité est conditionnée par son épaisseur, sont utilisés durant les déplacements (voir la vidéo). Chaque robot (il en existe 3 versions) mesure 7 mm de long pour 2 mm de large. 

À ce stade, un élément n’a pas été utilisé : l’embryon de rat âgé d’au maximum 5 jours postfertilisation qui fournit... la motorisation ! Les chercheurs ont en effet utilisé les cellules de son muscle cardiaque pour donner vie aux engins. Elles ont été fixées sur une trame de collagène fixée sur les jambes des robots (densité moyenne de 1.800 unités par mm²). L’astuce réside dans le fait que les cardiomyocytes continuent à se contracter spontanément malgré les traitements infligés.

Des robots chefs-d’œuvre de la biologie synthétique 

À chaque contraction, la longue jambe se courbe en se rapprochant de la base. Durant la phase de relâchement, les propriétés élastiques de l’hydrogel 3400 vont propulser le système en avant. Durant les tests, le biobot n°2, le meilleur de tous (épaisseur des jambes de 182 µm), a réalisé des pas mesurant en moyenne 337 µm (longueur calculée sur la base de 10 mouvements), les cellules cardiaques se contractant alors à une fréquence de 1,5 Hz. La vitesse moyenne des déplacements n’a toutefois pas excédé 236 µm/s car la fréquence de contraction fluctuait. 

Le projet n’en est qu’à ses débuts. Les scientifiques vont maintenant créer de nouvelles formes en hydrogel pour essayer d’améliorer les performances de ces minirobots. Ils envisagent également de les doter d’un système de contrôle basé sur l’implantation de neurones. Affaire à suivre donc...


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