Tendões artificiais elevam robôs biohíbridos a novos patamares de força e velocidade

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) demonstraram que tendões artificiais capazes de se conectar a músculos cultivados em laboratório transformam o desempenho de robôs biohíbridos. O sistema, apresentado em artigo da revista Advanced Science, multiplica a força de preensão em até 30 vezes, acelera o movimento em três vezes e diminui a quantidade de tecido muscular necessária. Esses resultados indicam um caminho promissor para máquinas que atuem em microcirurgias, missões de exploração ou tarefas domésticas que exijam delicadeza e eficiência.

O avanço dos tendões artificiais no laboratório do MIT

A nova pesquisa concentra-se na criação de uma interface robusta entre tecidos vivos e componentes mecânicos. Até então, robôs impulsionados por células musculares enfrentavam a limitação de transferir força com eficácia: o tecido macio tendia a se romper quando fixado diretamente em estruturas rígidas. Para contornar o problema, a equipe desenvolveu tendões artificiais feitos de hidrogel de alta resistência e flexibilidade, material capaz de suportar estiramento sem perder integridade. Cada tendão conecta o extremo do músculo vivo à “estrutura óssea” da garra robótica, formando uma unidade músculo-tendão claramente definida.

No ambiente controlado do laboratório, as fibras musculares obtidas a partir de células tronco foram cultivadas até atingirem espessura suficiente para gerar contrações coordenadas. Em seguida, as pontas de cada grupo muscular foram inseridas nos tendões de hidrogel por meio de ancoragens microscópicas. A conexão garantiu que, ao se contrair, o músculo transmitisse praticamente toda a força ao mecanismo robótico, anulando perdas que costumavam ocorrer na interface direta músculo-plástico.

Como os tendões artificiais se integram aos músculos vivos

A integração entre os dois materiais depende de compatibilidade mecânica e bioquímica. O hidrogel escolhido possui elasticidade próxima à do tecido biológico, evitando que o músculo sofra tensão excessiva no ponto de contato. Além disso, o polímero é poroso o suficiente para permitir difusão de nutrientes e oxigênio, fatores essenciais à sobrevivência das células durante ciclos repetidos de contração.

Em termos de montagem, o grupo de pesquisa adotou uma abordagem modular: os tendões artificiais funcionam como peças substituíveis. Caso uma garra robótica exija diferente amplitude de movimento ou velocidade, basta trocar o tendão por outro de rigidez distinta, sem reconstruir todo o sistema. Essa estratégia de “encaixe” é inspirada na anatomia de vertebrados, na qual tendões naturais unem músculos a ossos, mas com a vantagem de ajustes rápidos conforme a aplicação.

Resultados: força 30 vezes maior e velocidade triplicada

Para medir o impacto da inovação, os cientistas compararam três configurações: músculo vivo ligado diretamente à estrutura robótica, músculo conectado por tendões de baixa rigidez e músculo acoplado aos novos tendões de hidrogel. O último arranjo apresentou ganhos expressivos em todos os parâmetros avaliados:

• Força de pinça: a garra equipada com o novo tendão segurou objetos com 30 vezes mais força que a versão sem o componente.
• Velocidade de movimento: o tempo necessário para abrir e fechar a garra foi reduzido a um terço.
• Eficiência peso-potência: a quantidade de tecido muscular exigida caiu, resultando em relação potência/peso 11 vezes superior.
• Durabilidade: a unidade músculo-tendão manteve desempenho estável após milhares de ciclos de contração, enquanto a conexão direta falhava precocemente.

Esses números são particularmente relevantes para aplicações que exigem movimentos repetitivos em espaços restritos, como a manipulação de tecidos humanos durante uma cirurgia ocular ou a coleta de amostras em ambientes subaquáticos. Ao reduzir o volume de músculo necessário, também diminui-se o consumo de nutrientes e o risco de fadiga celular.

Modelagem de molas define a rigidez ideal dos tendões artificiais

Um elemento decisivo foi o modelo mecânico usado para escolher a rigidez dos tendões artificiais. Os pesquisadores representaram o conjunto em um sistema de três molas dispostas em série: a primeira simboliza o músculo biológico, a segunda corresponde ao tendão de hidrogel e a terceira reproduz a estrutura do robô. Variando a constante elástica de cada mola em simulações computacionais, foi possível encontrar a combinação capaz de transferir força sem exceder o limite de ruptura do músculo.

Depois de validar o modelo em computador, a equipe fabricou múltiplos tendões com proporções variadas de polímero para ajustar a elasticidade. Ensaios em bancada confirmaram as previsões teóricas: tendões muito rígidos reduziam a velocidade de contração, ao passo que tendões excessivamente macios levavam a perdas de força. A versão de rigidez intermediária gerou o melhor equilíbrio entre potência e agilidade, tornando-se a escolha para os testes de longa duração.

Impacto potencial em cirurgias, exploração e tarefas do cotidiano

Robôs biohíbridos já chamam atenção por oferecerem características improváveis em atuadores convencionais, como a capacidade de se curar e de aumentar força com o tempo por hipertrofia celular. A introdução de tendões artificiais amplia essa lista ao permitir performance comparável à de sistemas puramente eletromecânicos, porém mantendo a suavidade do tecido vivo.

No cenário médico, garras biohíbridas podem realizar microcirurgias em vasos sanguíneos ou nervos, onde excessiva rigidez prejudicaria o resultado. Em ambientes perigosos, um robô do tamanho de uma moeda, alimentado por um minúsculo músculo vivo, poderia explorar cavidades de reatores ou conduítes subterrâneos sem riscos a equipes humanas. Já em residências, dispositivos de assistência pessoal teriam a precisão necessária para manipular objetos frágeis, como peças eletrônicas ou utensílios de vidro.

A vantagem adicional de modularidade simplifica o transplante da tecnologia para plataformas diversas: drones subaquáticos, braços industriais de pequena escala ou sistemas de entrega em hospitais podem receber o conjunto músculo-tendão com ajustes mínimos. A facilidade de adaptação reduz custos e acelera a passagem do laboratório para o mercado.

Próximos passos: revestimentos semelhantes à pele humana

Com o desempenho mecânico validado, o grupo do MIT concentra-se agora no desenvolvimento de camadas de proteção que imitem a pele. O objetivo é criar barreiras flexíveis que blindem o músculo contra variações de temperatura, mudanças de pH ou agentes químicos presentes no ambiente externo. A expectativa é que esses revestimentos aumentem ainda mais a longevidade dos robôs biohíbridos e permitam missões em condições adversas, como o interior de corpos vivos ou regiões de alta salinidade.

Enquanto os testes de campo não começam, o trabalho publicado na Advanced Science evidencia que a união de tecidos vivos e tendões artificiais passou de conceito a ferramenta prática, capaz de operar por milhares de ciclos sem degradação significativa. A continuidade dos estudos deverá fornecer dados sobre escalabilidade e produção em massa, passos decisivos para a adoção em hospitais, centros de pesquisa e setores industriais.

A próxima etapa divulgada pelos pesquisadores envolve a avaliação dos tendões de hidrogel em robôs de geometrias distintas, um processo que determinará a versatilidade do método diante de requisitos variados de torque e amplitude.