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Lebende Roboter entwickelt

Ein 3D-Organismus, der von einem evolutionären Algorithmus entworfen und aus lebenden Zellen aufgebaut wurde. (Bild: Image courtesy of Douglas Blackiston)

Plastik, Metall und künstliche Materialien kamen bisher zum Einsatz – doch nun haben Forscher erstmals ausschließlich lebendes Gewebe beim Design von Robotern verwendet: Sie haben aus unterschiedlichen Froschzellen kleine Kunst-Organismen zusammengesetzt, die sich gerichtet bewegen und theoretisch Lasten transportieren können. In dem Konzept sehen die Wissenschaftler Potenzial: Hochentwickelte „Xenobots“ könnten einmal in der Medizin oder dem Umweltschutz zum Einsatz kommen.

Schon lange versucht der Mensch Lebewesen durch Zucht oder Manipulation seinen Wünschen anzupassen und in der Technik kopiert er die Konzepte der Natur. Diese lange Tradition hat in der modernen Zeit allerdings ganz neue Formen angenommen: Die Möglichkeiten der Genetik, Biotechnologie und Robotik werden immer komplexer und neue Konzepte werden entwickelt. Genau das ist nun offenbar den Forschern um Joshua Bongard von der University of Vermont in Burlington geglückt. „Wir haben erstmals vollständig biologische Maschinen entwickelt. Es sind weder traditionelle Roboter noch Tiere. Es handelt sich stattdessen um eine neue Klasse von Artefakten: lebende, programmierbarer Organismen“, so Bongard.

Computer-designte Wesen

Das Baumaterial der Xenobots genannten Kreaturen sind Zellen aus Embyos der afrikanischen Froschart Xenopus laevis. Die Fähigkeiten der daraus hergestellten Kunstwesen entstehen dabei durch eine raffinierte Kombination von unbeweglichen Hautzellen und kontrahierenden Herzzellen. Wie sich aus diesen Bausteinen Gebilde herstellen lassen, die ein bestimmtes Verhalten ermöglichen, haben die Forscher durch einen Supercomputer errechnen lassen. Durch künstliche Intelligenz entwickelte er bestimmte Anordnungen der Zellen, um etwa eine einseitige Fortbewegung des Zellgebildes zu ermöglichen. Die vielversprechendsten Designs wählten die Forscher dann für die praktischen Tests aus.

Um die Xenobots ins Leben zu rufen, entnahmen die Forscher zunächst Stammzellen aus Forschembryos. Diese wurden dann im Labor weitergezüchtet, um das Ausgangsmaterial für den Bau der Xenobots zu erhalten. Anschließend wurden die Gewebestücke unter der Verwendung winziger Werkzeuge geschnitten und unterm Mikroskop dem Computerdesign folgend zusammengesetzt. Tatsächlich verbanden sie sich dann zu Körperformen, wie sie die Natur zuvor noch nicht gesehen hat, berichten die Wissenschaftler.

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Wie sie erklären, bilden die Hautzellen die passiven Teile der etwa millimetergroßen Kunst-Organismen währen die Herzzellen sie beweglich machen. Sie sind so in dem Gebilde angeordnet, dass ihre Kontraktionen eine gerichtete Bewegung hervorrufen. So wobbeln die klumpenartigen Kreaturen dann schließlich vorwärts. Die Forscher konnten demonstrieren, dass die Xenobots eine wässrige Umgebung tagelang erkunden können. Sie besitzen sogar die Fähigkeit zur Selbstheilung: „Sogar wenn man sie fast zerteilt, setzten sie sich anschließend wieder zusammen und laufen weiter“, sagt Bongard. „Mit normalen Maschinen kann man das natürlich nicht machen.“

Potenzial zeichnet sich ab

Wie die Forscher berichten, stellten sie fest, dass Gruppen von Xenobots beginnen, sich im Kreis zu bewegen. Dadurch können sie beispielsweise Objekte an einen zentralen Ort schieben. Andere Xenobots haben die Wissenschaftler zudem mit einem Loch in der Mitte gebaut. Dieses könnte die Funktion eines Beutels übernehmen, um ein Objekt zu transportieren, sagen die Forscher. „Dies ist ein Schritt in Richtung der Verwendung Computer-designter Organismen für die intelligente Arzneimittelabgabe“, sagt Bongard.

Wie die Forscher betonen, handelt es sich bei den Prototypen bisher nur um eine Machbarkeitsstudie. Aber in weiterentwickelten Xenobots sehen sie erhebliches Potenzial: „Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, für die normale Maschinen nicht geeignet sind“, sagt Co-Autor Michael Levin von der Tufts University in Medford. “Sie könnten etwa nach gefährlichen Verbindungen oder radioaktiven Kontaminationen suchen oder Mikroplastik in Wasser einsammeln“.

Darüber hinaus sind Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin denkbar: „Die kleinen Wesen könnten durch Arterien wandern, um Plaque herauszukratzen“, meint der Wissenschaftler. Der große Vorteil im Vergleich zu bisherigen Nanoroboter-Systemen ist dabei, dass die Xenobots nicht aus problematischen Kunststoffen bestehen, sondern komplett biologisch abbaubar sind. Man darf also gespannt sein, was sich aus dem skurril wirkenden Ansatz entwickeln wird.

Quelle: University of Vermont, Fachartikel: PNAS, doi: 10.1073/pnas.1910837117

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