Pilze, die Roboter bewegen?! Das mag wie etwas aus einem Science-Fiction-Film klingen, doch dies ist tatsächlich das Ergebnis realer wissenschaftlicher Forschung. Ein Team an der Cornell University hat einen innovativen Roboter entwickelt, der von gewöhnlichen Pilzen inspiriert ist, die auf dem Waldboden zu finden sind. Dieser „biohybride Roboter“ wird von elektrischen Signalen gesteuert, die vom Pilzmyzel ausgesendet werden. Es handelt sich um eine wahrlich bemerkenswerte Erfindung, die die Weisheit der Natur mit modernster Technologie kombiniert.
By Cornell University
Warum Pilzmyzel verwenden?
Traditionell hat die Roboterentwicklung oft Inspiration aus dem Tierreich gezogen. Es gibt zahlreiche Roboter, die Tierbewegungen, Umweltwahrnehmungsfähigkeiten und Temperaturregulationsfunktionen nachahmen. Wenn es jedoch um Roboter geht, die lebende Zellen oder Gewebe einbeziehen, war es eine Herausforderung, diese biologischen Systeme in einem gesunden und funktionstüchtigen Zustand zu halten.
Hier kommt das Pilzmyzel ins Spiel. Myzel ist das Netzwerk aus fadenförmigen Zellen, das den Körper eines Pilzes bildet und sich typischerweise unterirdisch ausbreitet. Myzel bietet mehrere Vorteile:
- Es kann in rauen Umgebungen wachsen
- Es hat die Fähigkeit, chemische und biologische Signale zu erfassen
- Es kann auf mehrere Eingaben reagieren
Professor Rob Shepherd, Leiter des Forschungsteams, erklärt: „Durch die Integration von Myzel in die Elektronik des Roboters haben wir der biohybriden Maschine ermöglicht, ihre Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren.“ Hier bezieht sich „biohybride Maschine“ auf einen Roboter, der biologische Elemente (in diesem Fall Myzel) mit mechanischen Komponenten kombiniert.
Forschungsdetails
Diese Forschung wird in einem Artikel mit dem Titel „Sensorimotor Control of Robots Mediated by Electrophysiological Measurements of Fungal Mycelia“ beschrieben, der in „Science Robotics“ veröffentlicht wurde. Der Hauptautor, Anand Mishra, erklärt: „Dieses Papier ist der erste Schritt in vielen Studien, die das Pilzreich nutzen werden, um Umweltsensoren und Steuerungssignale für Roboter bereitzustellen, um ihre Autonomie zu verbessern.“
„Umweltwahrnehmung“ bezieht sich hier auf die Fähigkeit des Roboters, seine Umgebung zu erkennen. „Autonomie“ bedeutet die Fähigkeit des Roboters, Entscheidungen zu treffen und selbstständig zu handeln ohne direkte externe Steuerung.
Das Forschungsteam vereinte Fachwissen aus verschiedenen Bereichen, um die komplexe Herausforderung zu meistern, Pilze und Elektronik zu kombinieren. Wissen aus Maschinenbau, Elektronik, Mykologie, Neurobiologie und Signalverarbeitung war erforderlich.
Wie das System funktioniert
Das vom Forschungsteam entwickelte System besteht aus den folgenden Elementen:
- Elektrische Schnittstelle: Diese blockiert Vibrationen und elektromagnetische Störungen, um die elektrophysiologische Aktivität des Myzels in Echtzeit genau zu erfassen und zu verarbeiten. „Elektrophysiologische Aktivität“ bezieht sich auf die schwache elektrische Signale, die von biologischen Zellen ausgesendet werden. Konkret misst sie die Veränderungen des elektrischen Potentials, die durch den Ionenfluss durch die Zellmembranen des Myzels verursacht werden. Diese elektrischen Signale schwanken, wenn das Myzel Veränderungen in der äußeren Umgebung feststellt (Licht, Temperatur, Chemikalien usw.) und bilden die Grundlage für die Umweltwahrnehmung.
- Steuerung: Diese ist von zentralen Mustergeneratoren (Central Pattern Generators, CPGs) inspiriert. CPGs sind neuronale Schaltkreise in biologischen Systemen, die rhythmische Bewegungen erzeugen. Zum Beispiel werden menschliche Gehrhythmen und Atemrhythmen von CPGs gesteuert.
In diesem Robotersystem wird das CPG-Konzept angewendet, um elektrische Signale, die vom Myzel gewonnen werden, in rhythmische Bewegungsmuster umzuwandeln. Genauer gesagt analysiert es die Periodizität und Intensität der elektrischen Signale des Myzels und verwendet diese, um die Bewegungsmuster des Roboters zu erzeugen (Gehrhythmen, Richtungsänderungen usw.). Dies ermöglicht eine natürliche und effiziente Steuerung der Bewegungen des Roboters als Reaktion auf Veränderungen in der äußeren Umgebung.
Das System liest die rohen elektrischen Signale des Myzels, verarbeitet sie und identifiziert rhythmische Spitzen (plötzliche Potentialänderungen). Es wandelt diese Information dann in digitale Steuersignale um und sendet sie an die Aktuatoren des Roboters (Geräte, die Bewegung erzeugen). Dies führt zu einem einzigartigen Steuerungssystem, bei dem die „Empfindungen“ des Myzels direkt in die „Aktionen“ des Roboters umgesetzt werden.
Experimentelle Ergebnisse
Das Forschungsteam entwickelte zwei Arten von biohybriden Robotern:
- Einen weichen Roboter in Spinnenform
- Einen Roboter auf Rädern
Mit diesen Robotern wurden drei Experimente durchgeführt:
- Ein Experiment, bei dem die Roboter als Reaktion auf natürliche kontinuierliche Spitzen in den Signalen des Myzels gingen oder sich bewegten
- Ein Experiment zur Beobachtung der Reaktionen der Roboter auf ultraviolette Lichtstimulation (die Roboter änderten ihre Gehmuster)
- Ein Experiment, das die nativen Signale des Myzels vollständig überschreibt
Diese Experimente zeigten, dass biohybride Roboter, die Myzel nutzen, auf ihre Umwelt reagieren und gesteuert werden können. Mit anderen Worten, das Pilzmyzel fungiert als „Gehirn“ des Roboters, das es ihm erlaubt, seine Bewegungen als Reaktion auf Umweltstimuli zu ändern.
Bedeutung der Forschung und zukünftige Perspektiven
Diese Forschung hat das Potenzial für weitreichende Auswirkungen über die Bereiche Robotik und Mykologie hinaus. Mishra erklärt: „Dieses Projekt geht nicht nur darum, einen Roboter zu steuern. Es geht auch darum, eine echte Verbindung zu einem lebenden System herzustellen.“
Professor Shepherd erwähnt mögliche zukünftige Anwendungen in der Landwirtschaft: „Zukünftige Roboter könnten in der Lage sein, die Bodenchemie in Pflanzenreihen zu erfassen und zu entscheiden, wann mehr Dünger hinzugefügt werden sollte. Dies könnte potenziell nachgelagerte Auswirkungen der Landwirtschaft mildern, wie schädliche Algenblüten.“
Beispielsweise könnten diese „Pilzroboter“, wenn sie Felder patrouillieren und Bodenbedingungen in Echtzeit überwachen könnten, möglicherweise helfen, den übermäßigen Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln zu verhindern und eine umweltfreundlichere Landwirtschaft zu ermöglichen.
Darüber hinaus erstrecken sich die Anwendungen dieser Technologie über die Landwirtschaft hinaus. Beispielsweise:
- Umweltüberwachung: Durch Nutzung der hochsensiblen Sensorfähigkeiten des Myzels könnten Roboter entwickelt werden, um Luft- und Wasserverschmutzung zu erkennen.
- Katastrophenrettung: Dank ihrer Fähigkeit, in rauen Umgebungen zu funktionieren, könnten diese Roboter bei Rettungsaktionen an Erdbeben- oder Brandkatastrophenorten eingesetzt werden.
- Medizinischer Bereich: Die Fähigkeit, kleinste Umweltveränderungen wahrzunehmen, könnte zur Entwicklung von Mikrorobotern führen, die im Körper arbeiten.
- Weltraumforschung: Ihre Fähigkeit, in extremen Umgebungen zu überleben, könnte auf Roboter angewendet werden, die andere Planeten erforschen.
Solche technologischen Innovationen schaffen nicht nur neue Arten von Robotern, sondern haben auch das Potenzial, bedeutende Veränderungen in unserer Interaktion mit Gesellschaft und Umwelt zu bewirken. Beispielsweise könnte eine präzisere Umweltüberwachung zu Maßnahmen gegen den Klimawandel und den Schutz von Ökosystemen beitragen. Anwendungen im medizinischen Bereich könnten zur Entwicklung weniger invasiver und effektiverer Behandlungsmethoden führen.
Forschungsteam und Kooperationsstruktur
Diese innovative Forschung wurde durch die Zusammenarbeit von Experten aus verschiedenen Bereichen möglich:
- Bruce Johnson: Senior Research Associate in Neurobiologie und Verhalten. Er beriet, wie elektrische Signale, die über neuronartige Ionenkanäle in Myzelmembranen übertragen werden, aufgezeichnet werden können.
- Kathie Hodge: Associate Professor für Pflanzenpathologie und Pflanzen-Mikrobiologie. Sie schulte in der Kultivierung sauberer Myzelkulturen. Die Reinheit des Myzels zu wahren ist entscheidend, um genaue elektrische Signale zu erhalten.
- Jaeseok Kim: Universität Florenz, Italien.
- Hannah Baghdadi: Studentische Forschungsassistentin.
Die Zusammenarbeit dieser Experten ermöglichte wirklich interdisziplinäre Forschung und fusionierte Bereiche wie Maschinenbau, Elektronik, Mykologie, Neurobiologie und Signalverarbeitung.
Fazit
Die Entwicklung von biohybriden Robotern unter Verwendung von Pilzmyzel stellt eine innovative Leistung dar, die aus der Verschmelzung von Biologie und Ingenieurwesen resultiert. Diese Forschung eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Robotern, die sich besser an ihre Umgebung anpassen können, sondern zeigt auch die Möglichkeit auf, eine echte Verbindung zwischen biologischen Systemen und Maschinen zu schaffen.
Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie werden Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Landwirtschaft, Umweltüberwachung, Katastrophenrettung, Medizin und Weltraumforschung erwartet. Sie hat das Potenzial, zur Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Technologien beizutragen, indem sie die Weisheit der Natur nutzt.
Die Verschmelzung der Pilzwelt mit modernster Robotik deutet auf eine neue Beziehung zwischen Natur und Technologie hin. Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung biologischer Ansätze in der zukünftigen Roboterentwicklung und zeigt deutlich, wie interdisziplinäre Zusammenarbeit zu innovativen Ergebnissen führen kann.
Der Tag könnte kommen, an dem die uns vertrauten „Pilze“ der Schlüssel zur Schaffung modernster Technologie werden. Wir müssen die zukünftigen technologischen Innovationen im Auge behalten, die die Weisheit der Natur mit künstlicher Intelligenz kombinieren. Die Transformationen, die diese Technologie in der Gesellschaft bewirken könnte – vom Umweltschutz über Fortschritte in der Medizin bis hin zu neuen Entwicklungen in der Weltraumforschung – haben das Potenzial, unser Leben und die Zukunft unseres Planeten erheblich zu beeinflussen. Die Forschung zu biohybriden Robotern stellt wahrhaftig eine neue Form der Wissenschaft des 21. Jahrhunderts dar, die auf das Zusammenleben von Natur und Technologie abzielt.
