Gezüchteter Mäusemuskel lässt Mini-Roboter springen, schwimmen, gehen und greifen

Ein durchsichtiger Streifen von anderthalb Zentimetern Länge liegt am Boden einer Laborschale. Ein Stromimpuls, und er krümmt sich, stößt sich ab und steigt fünf Millimeter hoch, ein Drittel seiner eigenen Länge. Angetrieben wird er nicht von einem Motor, sondern von Muskelgewebe, das aus Mäusezellen gezüchtet wurde. Die Szene stammt aus einer Studie des Soft Robotics Laboratory der ETH Zürich, die am 11. September 2026 in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen ist und über die die Hochschule am 22. Oktober berichtet hat. 

Biohybride Roboter, also Maschinen mit lebenden Muskeln als Antrieb, gibt es seit mehr als einem Jahrzehnt. Neu an der Zürcher Arbeit ist weniger der Muskel als der Entwurf: Das Team um Aiste Balciunaite, Mike Y. Michelis und Robert Katzschmann hat Muskelschicht und Trägergerüst nicht nacheinander, sondern gemeinsam am Computer optimiert und dann gebaut. Das Ergebnis sind Bioaktoren, die nach Angaben der Autoren bis zu elfmal größere Bewegungen ausführen als frühere Bauformen mit vergleichbarem Muskelvolumen. Aus ihnen entstanden Roboter, die springen, schwimmen, gehen und greifen. 

Muskel und Gerüst gemeinsam am Computer entworfen

Bisherige Arbeiten in dem Feld haben sich laut der Studie vor allem darauf konzentriert, das Muskelgewebe selbst kräftiger zu machen. Die Form des Muskels und die Eigenschaften des Gerüsts, gegen das er arbeitet, blieben meist feste Vorgaben. Die Zürcher Gruppe hat beides als veränderbare Größen behandelt. Dafür entwickelte sie eine Weichkörper-Simulation, in der ein Aktor aus kleinen Volumenelementen besteht, die entweder kontrahierender Muskel oder passives Hydrogel sind. Die Materialwerte stammen aus eigenen Messungen. 

Eine einzelne Simulation dauert weniger als fünf Sekunden. Das erlaubte den Einsatz eines evolutionären Algorithmus (NSGA-II), der über mehrere hundert Generationen hinweg Anordnungen von Muskel- und Gerüstelementen durchprobierte, um den Bewegungsumfang zu maximieren. Der Algorithmus landete bei einer zweischichtigen Bauform: eine Muskelschicht auf einem weicheren Gerüst, die sich beim Zusammenziehen biegt. Eine anschließende Parameterstudie ergab, dass der Muskel bei gleicher Steifigkeit beider Schichten 40 bis 50 Prozent der Gesamthöhe ausmachen und die ganze Länge überspannen sollte. Außerdem zeigte das Modell, dass der Muskel vollflächig am Gerüst haften muss, sonst geht Bewegung verloren. Simulation und Optimierungscode hat die Gruppe als Open Source veröffentlicht. 

„Anstatt eine feste Form für unsere Muskelgeometrie festzulegen, wollten wir das Ganze von Grund auf neu am Computer entwerfen“, sagt Erstautorin Aiste Balciunaite in der ETH-Mitteilung. Ganz ohne Rückkopplung ging es nicht: „Selbstverständlich war es ein iterativer Prozess.“ Messwerte zu Materialeigenschaften und Herstellungsbedingungen flossen wieder in die Simulation ein. 

So entsteht der Bioaktor

Das Gerüst ist ein Hydrogel-Plättchen von 15 × 3,5 × 1 Millimetern, gedruckt per Xolographie, einem volumetrischen Lichtdruckverfahren. Der Drucker, ein Xube der Berliner Firma xolo, braucht dafür rund 60 Sekunden pro Gerüst. In die Oberfläche sind Rillen von 300 Mikrometern Breite und 500 Mikrometern Tiefe eingedruckt. Sie geben den Muskelfasern die Richtung vor und sorgen dafür, dass die Gewebeschicht haftet; auf glatten Gerüsten löste sie sich an den Enden ab. 

Auf das getrocknete Gerüst kommt ein Tropfen Hydrogel mit Muskelvorläuferzellen der Mäuse-Zelllinie C2C12, der mit UV-Licht vernetzt wird. In einem zweiwöchigen Protokoll wachsen die Zellen, verschmelzen zu Muskelfasern und reifen. Dabei entsteht eine Muskelschicht von 12 × 3 × 0,3 Millimetern. Nach Optimierung der Fertigung waren laut Studie 85 Prozent der hergestellten Aktoren funktionsfähig. Angesteuert werden sie mit elektrischen Feldern von 3 bis 5 Volt pro Zentimeter, die über zwei Elektroden in das Nährmedium eingekoppelt werden. 

Mikroskopaufnahmen zeigen, dass sich die Zellen in den obersten 100 Mikrometern der Muskelschicht sammeln. Darunter liegt ein fast zellfreies Hydrogel, das die Kraft an das Gerüst weitergibt. Die Autoren vergleichen diesen Übergang mit der Verbindung von Muskel und Sehne im Körper. 

Was die Roboter leisten

Die Studie beschreibt vier Roboter aus jeweils einem Bioaktor sowie Verbünde aus mehreren Einheiten. Alle Messwerte stammen aus dem Paper und gelten für Versuche in Nährlösung in einer Petrischale. 

Der Geher kam am besten voran, wenn er nicht von außen getaktet wurde, sondern spontan zuckte, was bei etwa 3 Hertz geschah. Seine Geschwindigkeit, bezogen auf die Körperlänge, übertrifft nach Darstellung der Autoren alle bisher veröffentlichten biohybriden Roboter. In absoluten Zahlen zeigt die Vergleichsgrafik im Paper allerdings einen früheren Roboter mit Herzmuskelzellen, der schneller war. Die Zahl „bis zu elfmal mehr Bewegung“ ist ebenfalls eine eigene Gegenüberstellung der Autoren mit Veröffentlichungen aus zwei Jahrzehnten, bei der das Muskelvolumen älterer Arbeiten teils aus Bildern geschätzt wurde. 

Auffällig ist die Streuung: Von fünf baugleichen Aktoren bewegte sich der schwächste 0,5 Millimeter, der beste 6,6 Millimeter. Der Sprungversuch ist mit einem Aktor von 6,6 Millimetern Bewegungsumfang dokumentiert, also dem Bestwert. Jeder einzelne Aktor kontrahierte dagegen reproduzierbar, mit Abweichungen von höchstens sechs Prozent zwischen aufeinanderfolgenden Kontraktionen. 

Grenzen: Nährlösung, Streuung, Lebensdauer

Die Roboter funktionieren nur in einer Flüssigkeit, die das Gewebe versorgt. Wie lange ein fertiger Aktor einsatzfähig bleibt, gibt die Studie nicht an; dokumentiert ist das zweiwöchige Aufzucht- und Reifeprotokoll vor den Versuchen. Die Muskelschicht ist zudem physikalisch begrenzt: Nährstoffe und Sauerstoff dringen in gezüchtetes Muskelgewebe nur etwa 100 Mikrometer tief ein, weshalb sich die Zellen in der obersten Schicht sammeln. Größere Muskeln bräuchten eine Versorgung von innen. Die ETH-Mitteilung spricht von einer Art künstlichem Gefäßsystem, das Sauerstoff und Nährstoffe liefert und Abfallstoffe abführt, und nennt das eine der größten Herausforderungen für die weitere Entwicklung. 

Auch die Reife des Gewebes ist nicht vollständig: Der Anteil verschmolzener Zellkerne entsprach laut Studie dem reifer Konstrukte, der Durchmesser der Muskelfasern lag mit durchschnittlich 14,4 Mikrometern aber unter dem, was für reifen Muskel erwartet würde. Die Autoren selbst bezeichnen ihre Muskelschicht nicht als physiologisches Gewebe, dem Zelltypen und Durchblutung fehlen. Und das Simulationsmodell bildet die Muskelbiologie nur vereinfacht ab; für eine verlässliche Übertragung von der Simulation auf das Experiment seien genauere Modelle nötig. Die ETH fasst zusammen, dass ein langfristig einsetzbarer Roboter noch in weiter Ferne liege. 

„Bei bisherigen Systemen musste man teilweise unter dem Mikroskop hinschauen, um die Verformung zu erkennen“, sagt Balciunaite. Das ist bei den neuen Aktoren anders, ändert aber nichts an der Grundfrage, wie sich die Streuung zwischen einzelnen Muskeln verringern lässt. Genau daran will die Gruppe als Nächstes arbeiten. 

Woher das Gewebe stammt

Die Studie beschreibt keine Tierversuche. Die Zellen stammen aus der Linie C2C12, einer etablierten Mäuse-Myoblastenlinie, die das Team von der Zellbank ATCC bezogen hat. Tierisches Material steckt dennoch an mehreren Stellen im Verfahren: Das Zellhydrogel enthält Matrigel, das der Hersteller Corning aus einem Mäusetumor (Engelbreth-Holm-Swarm-Sarkom) gewinnt, und eine im Labor hergestellte Gelatine aus Schweinehaut. Die Nährmedien enthalten fötales Kälberserum und Pferdeserum. Eine Erklärung zu Tierversuchen enthält das Paper nicht, die Ethikerklärung beschränkt sich auf die Angabe, dass keine Interessenkonflikte bestehen. Für die Arbeit mit einer Zelllinie ist das in Fachzeitschriften üblich. 

Was die Autoren damit vorhaben

Konkrete Einsatzfelder nennt die Studie nicht. Sie beschreibt sich selbst als Methode, die die Entwicklung leistungsfähiger biohybrider Roboter beschleunigen soll, und verweist auf Eigenschaften lebender Muskeln, die sich mit klassischen Antrieben schwer nachbauen lassen: Selbstorganisation, Anpassungsfähigkeit und Selbstheilung. Als nächste Schritte nennen die Autoren biologisch begründete Randbedingungen im Modell, etwa die Diffusionsgrenze, um größere, durchblutbare Gewebe zu entwerfen. Auch die ETH-Mitteilung bleibt allgemein. „Wir beginnen gerade erst, Roboter auf eine natürlichere Art zu bauen“, sagt Robert Katzschmann dort. 

Einordnung: zehn Jahre biohybride Roboter

Die Zürcher Arbeit baut auf einer Reihe früherer Studien auf, die sie selbst zitiert. 2014 stellte eine Gruppe um C. Cvetkovic in den Proceedings of the National Academy of Sciences 3D-gedruckte „biologische Maschinen“ mit Skelettmuskel vor, die kriechen konnten. 2018 zeigte die Gruppe um S. Takeuchi in Science Robotics einen Roboter mit einem antagonistischen Muskelpaar, 2024 in Matter einen zweibeinigen Muskelroboter und 2025 in Science Robotics eine Hand, die von mehreren menschlichen Muskelgeweben bewegt wird. Schwimmer mit Herzmuskelzellen reichen vom Rochen (2016, Science) bis zum Fisch aus menschlichen Herzzellen (2022, Science). Die ETH-Gruppe selbst hatte die zweischichtige Bauform 2024 auf der Konferenz RoboSoft erstmals beschrieben und 2025 in Science Advances gedruckte Muskel-Sehnen-Aktoren vorgestellt. 

Von diesen Arbeiten unterscheidet sich die neue Studie durch den Rechenweg: Nur zwei frühere Veröffentlichungen hatten biohybride Entwürfe algorithmisch optimiert, eine für Organismen unter einem Millimeter Größe, eine für dünne Zellfilme ohne Berücksichtigung der Muskelform. Für zentimetergroße Aktoren mit volumetrischem Muskel sei das bisher nicht gelungen, schreiben die Autoren. 

Die Studie

Die Arbeit „Co-optimized volumetric muscle design for large dynamic deformations in versatile biohybrid robots“ von Aiste Balciunaite, Mike Y. Michelis, Miriam Filippi, Pablo Paniagua, Oncay Yasa und Robert K. Katzschmann erschien am 11. September 2026 in Nature Communications (Band 17, Artikel 10732); die endgültige Fassung datiert vom 13. Oktober. Eingereicht wurde sie am 15. September 2025, angenommen am 25. August 2026. Balciunaite und Michelis sind gleichberechtigte Erstautoren. Bis auf Yasa, der inzwischen an der Hong Kong University of Science and Technology in Guangzhou forscht, arbeiten alle Autoren an der ETH Zürich. Der Artikel ist frei zugänglich unter der Lizenz CC BY 4.0, Simulationscode und Optimierer liegen auf GitHub. Gefördert wurde die Arbeit im Rahmen der Initiative ALIVE (Advanced Engineering with Living Materials) durch das Programm SFA-AM sowie durch zwei Beiträge des Schweizerischen Nationalfonds; Michelis wurde über ein Stipendium des ETH AI Center finanziert.