Robot Biohibrida: Tendon Buatan Tingkatkan Kinerja Otot

Dunia robotika terus berkembang, dan salah satu inovasi paling menarik datang dari bidang robot biohibrida. Para insinyur kini memanfaatkan jaringan otot asli sebagai aktuator alami, menciptakan robot yang menggabungkan elemen hidup dan sintetis. Namun, tantangan utama terletak pada keterbatasan gerak dan kekuatan yang dihasilkan. Kini, peneliti dari MIT menghadirkan solusi revolusioner: tendon buatan.

Terobosan Tendon Buatan: Jembatan Antara Otot dan Rangka

Otot adalah aktuator alami paling efisien yang ada di alam. Jaringan berserat ini menghasilkan kekuatan yang menggerakkan tubuh kita. Dalam beberapa tahun terakhir, para insinyur telah berhasil menggunakan jaringan otot asli untuk menggerakkan "robot biohibrida" yang terbuat dari jaringan hidup dan komponen sintetis. Dengan memadukan otot yang ditumbuhkan di laboratorium dengan kerangka sintetis, para peneliti berhasil merekayasa berbagai robot bertenaga otot seperti perayap, pejalan kaki, perenang, dan penjepit.

Namun, sebagian besar desain ini masih memiliki keterbatasan dalam jumlah gerakan dan kekuatan yang dapat mereka hasilkan. Hal ini menjadi penghalang utama dalam mengembangkan robot biohibrida yang lebih canggih dan fungsional. Menyadari tantangan tersebut, para insinyur dari MIT kini berupaya memberikan peningkatan daya pada bio-bot dengan menggunakan tendon buatan.

Dalam sebuah studi yang diterbitkan di jurnal Advanced Science, para peneliti berhasil mengembangkan tendon buatan yang terbuat dari hidrogel yang kuat dan fleksibel. Tendon yang menyerupai karet gelang ini kemudian dipasang pada kedua ujung potongan kecil otot yang ditumbuhkan di laboratorium, membentuk "unit otot-tendon." Setelah itu, ujung-ujung tendon buatan ini dihubungkan ke jari-jari gripper robotik.

Ketika otot pusat distimulasi untuk berkontraksi, tendon akan menarik jari-jari gripper hingga bergerak merapat. Hasilnya luar biasa: robot mampu menjepit jari-jarinya tiga kali lebih cepat, dan dengan kekuatan 30 kali lebih besar, dibandingkan dengan desain yang sama tanpa adanya tendon penghubung. Temuan ini menunjukkan potensi besar tendon buatan dalam meningkatkan efisiensi dan kekuatan aktuasi robot biohibrida.

Para peneliti membayangkan unit otot-tendon baru ini dapat disesuaikan dengan berbagai desain robot biohibrida, mirip seperti elemen rekayasa universal yang dapat dipertukarkan. Ritu Raman, asisten profesor teknik mesin (MechE) di MIT dan penulis utama studi ini, menyatakan bahwa mereka memperkenalkan tendon buatan sebagai konektor yang dapat diganti antara aktuator otot dan kerangka robot. Modulitas semacam ini dapat mempermudah desain berbagai aplikasi robotik, mulai dari alat bedah skala mikro hingga mesin eksplorasi adaptif dan otonom. Studi ini merupakan kolaborasi antara Ritu Raman dan rekan-rekannya di MIT, termasuk Nicolas Castro, Maheera Bawa, Bastien Aymon, Sonika Kohli, Angel Bu, Annika Marschner, Ronald Heisser, serta alumni Sarah J. Wu dan Laura Rosado, serta profesor MechE Martin Culpepper dan Xuanhe Zhao.

Mengapa Otot Alami Menjadi Aktuator Unggul?

Raman dan timnya di MIT berada di garis depan bidang robotika biohibrida, sebuah bidang yang relatif baru namun menjanjikan. Mereka fokus pada penggabungan bagian robotik struktural sintetis dengan jaringan otot hidup sebagai aktuator alami. Raman menjelaskan bahwa sebagian besar aktuator yang biasanya digunakan oleh insinyur sangat sulit untuk dibuat dalam ukuran kecil. Melebihi ukuran tertentu, fisika dasarnya tidak lagi berfungsi. Keunggulan otot adalah setiap sel merupakan aktuator independen yang menghasilkan gaya dan gerakan. Oleh karena itu, secara prinsip, robot dapat dibuat dalam ukuran yang sangat kecil.

Aktuator otot juga memiliki keunggulan lain yang telah ditunjukkan oleh tim Raman: jaringan otot dapat menjadi lebih kuat seiring dengan "latihan" atau penggunaannya, dan secara alami dapat menyembuhkan diri ketika terluka. Untuk alasan-alasan ini, Raman dan para peneliti lainnya membayangkan bahwa robot bertenaga otot suatu hari nanti dapat dikirim untuk menjelajahi lingkungan yang terlalu terpencil atau berbahaya bagi manusia. Robot semacam itu dapat membangun kekuatannya untuk melintasi medan yang tidak terduga atau menyembuhkan diri sendiri ketika bantuan tidak tersedia. Robot biohibrida juga dapat berfungsi sebagai asisten bedah kecil yang melakukan prosedur skala mikro yang rumit di dalam tubuh manusia.

Semua skenario masa depan ini mendorong Raman dan rekan-rekannya untuk mencari cara memadukan otot hidup dengan kerangka sintetis. Desain hingga saat ini melibatkan penumbuhan pita otot dan menempelkan kedua ujungnya ke kerangka sintetis, mirip seperti mengikatkan karet gelang di sekitar dua tiang. Ketika otot distimulasi untuk berkontraksi, ia dapat menarik bagian-bagian kerangka bersama-sama untuk menghasilkan gerakan yang diinginkan. Namun, metode ini seringkali menghasilkan banyak otot yang terbuang karena digunakan untuk menempelkan jaringan ke kerangka daripada untuk menggerakkannya. Selain itu, koneksi tersebut tidak selalu aman. Otot relatif lunak dibandingkan dengan struktur kerangka, dan perbedaan ini dapat menyebabkan otot robek atau terlepas. Lebih jauh lagi, seringkali hanya kontraksi di bagian tengah otot yang akhirnya melakukan pekerjaan — jumlah yang relatif kecil dan menghasilkan sedikit gaya.

"Kami berpikir, bagaimana kita bisa berhenti membuang bahan otot, membuatnya lebih modular sehingga dapat menempel pada apa pun, dan membuatnya bekerja lebih efisien?" kata Raman. "Solusi yang telah ditemukan oleh tubuh adalah memiliki tendon yang kekakuannya berada di tengah antara otot dan tulang, yang memungkinkan Anda menjembatani ketidakcocokan mekanis antara otot lunak dan kerangka kaku. Tendon seperti kabel tipis yang melilit sendi secara efisien."

Bagaimana Tendon Buatan Dibuat dan Diuji?

Dalam penelitian terbaru mereka, Raman dan rekan-rekannya merancang tendon buatan untuk menghubungkan jaringan otot alami dengan kerangka gripper sintetis. Bahan yang mereka pilih adalah hidrogel — gel berbasis polimer yang kenyal namun kokoh. Raman memperoleh sampel hidrogel dari rekan dan salah satu penulis, Xuanhe Zhao, yang telah memelopori pengembangan hidrogel di MIT. Kelompok Zhao telah berhasil menemukan formula untuk hidrogel dengan kekerasan dan elastisitas yang bervariasi, yang dapat menempel pada banyak permukaan, termasuk bahan sintetis dan biologis.

Untuk menentukan seberapa kuat dan elastis tendon buatan yang seharusnya agar berfungsi dalam desain gripper mereka, tim Raman pertama-tama memodelkan desain tersebut sebagai sistem sederhana dari tiga jenis pegas, masing-masing mewakili otot pusat, dua tendon penghubung, dan kerangka gripper. Mereka menetapkan kekakuan tertentu pada otot dan kerangka, yang sebelumnya sudah diketahui, dan menggunakan ini untuk menghitung kekakuan tendon penghubung yang akan dibutuhkan untuk menggerakkan gripper sesuai dengan jumlah yang diinginkan.

Dari pemodelan ini, tim memperoleh formula untuk hidrogel dengan kekakuan tertentu. Setelah gel dibuat, para peneliti dengan hati-hati mengukir gel menjadi kabel tipis untuk membentuk tendon buatan. Mereka menempelkan dua tendon pada kedua ujung sampel kecil jaringan otot, yang mereka tumbuhkan menggunakan teknik standar laboratorium. Mereka kemudian melilitkan setiap tendon di sekitar tiang kecil di ujung setiap jari gripper robotik — sebuah desain kerangka yang dikembangkan oleh profesor MechE Martin Culpepper, seorang ahli dalam merancang dan membangun mesin presisi.

Performa Unggul dan Implikasi Masa Depan

Ketika tim menstimulasi otot untuk berkontraksi, tendon pada gilirannya menarik gripper untuk menjepit jari-jarinya. Melalui berbagai eksperimen, para peneliti menemukan bahwa gripper otot-tendon bekerja tiga kali lebih cepat dan menghasilkan 30 kali lebih banyak kekuatan dibandingkan ketika gripper hanya digerakkan dengan pita jaringan otot (dan tanpa tendon buatan). Desain berbasis tendon yang baru ini juga mampu mempertahankan kinerja ini selama lebih dari 7.000 siklus, atau kontraksi otot.

Secara keseluruhan, Raman melihat bahwa penambahan tendon buatan meningkatkan rasio daya terhadap berat robot sebanyak 11 kali. Ini berarti sistem tersebut membutuhkan otot yang jauh lebih sedikit untuk melakukan pekerjaan yang sama. "Anda hanya membutuhkan sepotong kecil aktuator yang terhubung dengan cerdas ke kerangka," kata Raman. "Normalnya, jika otot sangat lunak dan menempel pada sesuatu dengan resistansi tinggi, ia akan merobek dirinya sendiri sebelum menggerakkan apa pun. Tetapi jika Anda menempelkannya pada sesuatu seperti tendon yang dapat menahan robekan, ia benar-benar dapat mentransmisikan kekuatannya melalui tendon, dan ia dapat menggerakkan kerangka yang tidak akan mampu digerakkan sebelumnya."

Simone Schürle-Finke, profesor rekanan ilmu kesehatan dan teknologi di ETH Zürich, seorang insinyur biomedis, menyatakan bahwa desain otot-tendon baru tim ini berhasil menggabungkan biologi dengan robotika. "Tendon hidrogel yang kuat menciptakan arsitektur otot-tendon-tulang yang lebih fisiologis, yang sangat meningkatkan transmisi gaya, daya tahan, dan modularitas," kata Schürle-Finke, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. "Ini menggerakkan bidang ini menuju sistem biohibrida yang dapat beroperasi berulang kali dan akhirnya berfungsi di luar laboratorium."

Dengan tendon buatan yang kini tersedia, kelompok Raman bergerak maju untuk mengembangkan elemen lain, seperti selubung pelindung menyerupai kulit, untuk memungkinkan robot bertenaga otot berfungsi di lingkungan praktis dan dunia nyata. Penelitian ini didukung, sebagian, oleh U.S. Department of Defense Army Research Office, MIT Research Support Committee, dan National Science Foundation.

Inovasi ini membuka babak baru dalam pengembangan robotika. Dengan kemampuan untuk menggerakkan mesin secara lebih efisien dan tangguh, potensi aplikasi robot biohibrida di masa depan menjadi sangat luas, mulai dari membantu operasi kompleks hingga menjelajahi area yang berbahaya bagi manusia. Ini adalah langkah maju yang signifikan menuju integrasi sempurna antara teknologi dan biologi, menghadirkan kemungkinan yang belum pernah terbayangkan sebelumnya dalam dunia rekayasa.