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Xenobots

Wuselnde Roboter aus Stammzellen

Ein Xenobot bewegt sich durch ein Flüssigkeitsmedium. (Bild: Douglas Blackiston)

Lebendiges Gewebe statt Metall oder Kunststoff – Forscher haben eine neue Version der sogenannten „Xenobots“ entwickelt: Die kleinen Bio-Maschinen werden aus Froschstammzellen gezüchtet und bewegen sich durch Geißeln fort. Dadurch können sie durch Strukturen wandern oder Partikel „zusammenkehren“. Die skurrilen Designer-Wesen heilen sich außerdem nach Verletzungen selbst und können durch eine Art eingebautes Schaltersystem Informationen aus ihrer Umwelt aufzeichnen. Die Prototypen verdeutlichen damit das Potenzial dieses ungewöhnlichen Robotik-Konzepts, sagen die Forscher: So könnten hochentwickelte Xenobots beispielsweise einmal in der Medizin oder beim Umweltschutz zum Einsatz kommen.

Mikroskopische „U-Boote“, die auf Missionen in komplexen Umgebungen oder sogar im Körper unterwegs sind – dieses futuristisch wirkende Konzept hat in den letzten Jahren immer mehr Gestalt angenommen: Wissenschaftler haben bereits durch verschiedene technische Ansätze kleine Roboter mit Antrieb und bestimmten Fähigkeiten konstruiert. Das Baumaterial für die Winzlinge waren dabei meist Metalle oder Kunststoffe und Magnetfelder sorgen oft für die Mobilität. Doch vor etwa einem Jahr präsentierte ein interdisziplinäres Entwicklerteam ein Konzept, das die Vorteile biologischer Baumaterialien und Systeme aufzeigte: Sie konstruierten millimetergroße Roboter aus lebendigen Zellgeweben des Froschs Xenopus laevis, die für erstaunliche Effekte sorgen konnten.

„In gewisser Weise sind sie ähnlich aufgebaut wie herkömmliche Mikro-Roboter. Nur verwenden wir Zellen und Gewebe statt künstlicher Komponenten, um die Form herzustellen und ein vorhersehbares Verhalten zu erzeugen“, sagt Co-Autor Doug Blackiston von der Tufts University in Medford. Für die Herstellung der ersten Xenobots war allerdings aufwendige Puzzlearbeit unter dem Mikroskop nötig: Die Forscher bastelten die Winzlinge einzeln aus Hautgeweben zusammen und rüsteten sie mit schlagenden Herzzellen für den Antrieb aus. Wie sie nun berichten, ist ihr neues Konzept deutlich weniger aufwendig – dabei aber sogar noch effektiver: Die Xenobots 2.0 bauen sich selbstständig zusammen, benötigen keine Muskelzellen für die Bewegung und sind dennoch schneller und langlebiger als die „operativ“ zusammengebauten Vorgängermodelle.

Xenobots 2.0 machen sich selbst mobil

Für die Herstellung nutzen die Wissenschafter das natürliche Entwicklungspotenzial von Stammzellen. Bei dem neuen Verfahren werden diese Zellen Froschembryonen entnommen und unter dem Mikroskop in kleine Einheiten aufgeteilt, die sich dann in Nährmedium weiterentwickeln. Wie die Forscher berichten, formen sich die Stammzellgebilde dabei selbstständig zu kleinen Kugeln, in denen sich einige Zellen anschließend differenzieren. Erstaunlicherweise bilden sich auf der Oberfläche der Gebilde eigenständig sogenannte Zilien aus. Dabei handelt es sich um Geißel-artige Wimpern, die sich gerichtet bewegen. Bei Fröschen oder auch beim Menschen befinden sich Zilien normalerweise auf den Schleimhäuten, wie etwa in der Lunge, um Krankheitserreger und andere Fremdkörper zu beseitigen.

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Auf der Oberfläche der kugelförmigen Xenobots sorgen sie hingegen für den Antrieb: Je nachdem, wie sich die Gebilde entwickelt haben, bewirken die Zilienstrukturen eine Rotation, in einigen Fällen aber auch eine gerichtete Fortbewegung des kleinen Zellhaufens. „Es zeigt sich eine bemerkenswerte Plastizität dieser zellulären Kollektive: Obwohl das Genom unverändert bleibt, kann eine rudimentäre neue Körperform entstehen, die sich vom Standard – in diesem Fall dem Froschkörper – deutlich unterscheidet“, sagt Co-Autor Michael Levin. Sein Kollege Blackiston ergänzt. „Aus Sicht der Biologie hilft uns dieser Ansatz auch zu verstehen, wie Zellen aufeinander reagieren, wenn sie während der Entwicklung miteinander interagieren, und wie wir diese Prozesse besser kontrollieren können.“

Reporterfunktion und Selbstheilungskräfte

Für den Einsatz als Bio-Roboter identifizierten die Forscher mithilfe von Computersystemen die Xenobots mit Bewegungsmerkmalen, die sich nutzen lassen. So können sie unterschiedliche Verhaltensweisen zeigen – sowohl einzeln als auch in Gruppen. Durch Versuche konnten die Forscher zeigen, dass Xenobots mit bestimmten Eigenschaften ein spezielles Schwarmverhalten entwickeln, um etwa „Schmutzpartikel“ in einem Medium „zusammenzukehren“. Sie können sich auch durch feine Röhrensysteme gerichtet fortbewegen, zeigten die Experimente. Ein weiterer wichtiger Aspekt des biologischen Systems ist, dass die Xenobots sich im Gegensatz zu technischen Einheiten nach Schäden selbst heilen können: Wenn die Forscher sie gezielt verletzten, schlossen sich die Wunden schnell wieder. Außerdem können sie die Energie aus dem umliegenden Medium aufnehmen und von ihren Vorräten zehren, sodass sie eine vergleichsweise lange Lebensdauer erreichen, berichtet das Team.

Um prinzipiell zu zeigen, dass sich die Xenobots auch mit einem System zur Informationssammlung ausrüsten lassen, verpassten die Forscher ihnen eine Art Schalter. Dazu verwendeten sie ein fluoreszierendes Reporterprotein namens EosFP, das normalerweise grün leuchtet. Wenn es jedoch kurzwelligem Licht ausgesetzt wird, emittiert das Protein anschließend statt grünem rotes Licht. Um den Effekt zu nutzen, injizierten die Forscher den Frosch-Embryonen RNA, die zur Produktion des EosFP-Proteins führt. Danach entnahmen sie die Stammzellen, um die Xenobots zu erzeugen. Die ausgereiften Xenobots trugen dadurch ein Nachweissystem für blaues Licht: Waren sie diesem Reiz ausgesetzt, fluoreszierten sie anschließend rot statt grün. Die Forscher testeten diese Gedächtnisfunktion, indem sie zehn Xenobots in einem Versuchsgefäß schwimmen ließen, in dem nur ein Punkt mit dem blauen Licht beleuchtet wurde. Anschließend zeigte das rote Leuchten an, dass drei der Bots den Punkt durchquert hatten – ihre „Reiseerfahrung“ war also aufgezeichnet worden.

„Wir wollen, dass die Xenobots nützliche Arbeit verrichten. Im Moment geben wir ihnen noch einfache Aufgaben, aber letztendlich streben wir eine neue Art von lebendem Werkzeug an“, sagt Co-Autor Josh Bongard von der University of Vermont in Burlington. Denkbar wäre etwa, dass weiterentwickelte Versionen einmal radioaktive Kontaminationen, chemische Schadstoffe oder Krankheitszustände erkennen können, sagen die Wissenschaftler. „Es scheint auch möglich, Xenobots mit komplexeren Verhaltensweisen und Fähigkeit zu entwickeln, um aufwendige Aufgaben auszuführen“, sagt Bongard. Man darf also gespannt sein, was sich aus diesem „lebendigen“ Ansatz in der Robotik entwickeln wird.

Quelle: Tufts University, Fachartikel: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.abf1571

Video: Doug Blackiston und Emma Lederer, Tufts University

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