Reproduire le fonctionnement des muscles naturels constitue l’un des grands défis de la robotique et de la bio-ingénierie. Une équipe de chercheurs a récemment accompli une avancée majeure en cultivant des tissus musculaires artificiels capables de mouvements complexes. Entre prouesse scientifique et applications concrètes, cette avancée pourrait, dans un avenir proche, améliorer la reconstruction musculaire, perfectionner les interfaces homme-machine et rendre les mouvements des robots beaucoup plus naturels.
Jusqu’à présent, le développement des muscles artificiels se heurte à une limite de taille : leur capacité de mouvement est souvent restreinte à une seule direction. Une contrainte comparable à celle d’un bras robotique capable de se plier, mais incapable de pivoter, ce qui freine ainsi les progrès vers des machines capables d’égaler la fluidité et la complexité du mouvement biologique.
En février dernier, une avancée notable est venue de Pologne, où la start-up Clone Robotics a dévoilé Protoclone, un robot humanoïde doté d’une musculature étonnamment proche de celle de l’être humain. Ce modèle est doté de 1 000 muscles artificiels baptisés « Myofiber », inspirés des muscles pneumatiques de McKibben. Ils fonctionnent à l’aide de tubes en maille contenant des ballons qui se contractent et se détendent, reproduisant ainsi la biomécanique des muscles humains.
Mais la percée la plus récente vient du Massachusetts Institute of Technology (MIT), où des ingénieurs sont parvenus à imiter l’orientation multiple des fibres musculaires naturelles, permettant des mouvements plus fluides et plus complexes.
Une architecture musculaire inspirée de l’iris humain
L’innovation développée au MIT repose sur des techniques de microtopographie avancées, permettant de structurer un muscle artificiel capable d’effectuer des contractions à la fois concentriques et radiales, à l’image du fonctionnement de l’iris humain.
« Avec cette conception inspirée de l’iris, nous pensons avoir démontré la capacité du premier robot à propulsion musculaire squelettique à générer une force multidirectionnelle », a déclaré dans un communiqué Ritu Raman, professeure en ingénierie tissulaire au département de génie mécanique du MIT.
Pour atteindre ce résultat, les chercheurs ont mis au point une méthode appelée « STAMP ». Selon le document d’étude, publié dans la revue Biomaterials Science, la technique (baptisée STAMP) consiste à imprimer en 3D un tampon de précision doté de microsillons imitant l’architecture cellulaire. Des cellules musculaires vivantes sont ensuite implantées dans ces rainures, où elles se développent en fibres capables de se contracter selon plusieurs directions.
Une technique d’impression biologique de précision
Afin d’optimiser ce processus délicat, l’équipe a appliqué une couche de protéines sur le tampon avant de l’appuyer dans un hydrogel. Cette méthode garantit un transfert parfait du motif tout en permettant de retirer le tampon sans endommager la structure fragile qui sert de support au développement cellulaire.
Pour démontrer l’efficacité de leur approche, les scientifiques ont reproduit la structure complexe de l’iris humain. Après l’impression du motif sur un hydrogel souple, une empreinte a été créée pour guider la croissance dirigée des fibres musculaires. En moins de 24 heures, les cellules se sont alignées dans les microsillons de l’empreinte et ont commencé à fusionner en fibres musculaires fonctionnelles, suivant fidèlement le schéma préétabli.
Ces cellules musculaires réagissaient bien aux stimulations électriques et photoniques en se contractant selon l’orientation des microsillons. Ce niveau de complexité fonctionnelle marque une avancée inédite dans la conception de tissus synthétiques. Raman souligne l’importance de cette percée : « Notre structure musculaire artificielle représente le premier exemple de muscle squelettique conçu pour fonctionner selon des orientations multidirectionnelles ».
Selon l’équipe, cette innovation ne se limite pas à l’amélioration des performances des robots souples. Elle représente une avancée importante en bio-ingénierie, en surmontant certains obstacles qui limitaient jusqu’ici la mise au point de systèmes musculaires artificiels adaptables. « Nous voulons fabriquer des tissus qui reproduisent la complexité architecturale des tissus réels », affirme Raman. « Pour y parvenir, une telle précision de fabrication est indispensable ».
Des applications multiples aux perspectives prometteuses
Cette avancée, qui permet la création de muscles artificiels aux mouvements complexes et multidirectionnels, promet des applications concrètes et innovantes. Les robots biohybrides équipés de cette technologie pourraient naviguer dans des environnements inaccessibles aux machines conventionnelles et réaliser des manipulations avec une grande précision.
Les implications vont bien au-delà de la robotique et touchent des domaines aussi variés que la médecine régénérative, la rééducation fonctionnelle et les biotechnologies avancées. La capacité à concevoir des tissus reproduisant fidèlement les propriétés mécaniques et la réactivité des muscles naturels pourrait entre autres améliorer le traitement des lésions neuromusculaires.