2024-10-02
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bildquelle: unsplash
er rannte so schnell.
mit der entwicklung der technologie sind viele roboter in der lage, sehr sanfte bewegungen auszuführen und menschen bei der erledigung von hausarbeiten und einigen besonderen aufgaben zu helfen. doch egal wie gut ein roboter konstruiert ist, er kann nicht mit dem leben konkurrieren. da roboter aus einer reihe von sensoren, aktoren und neuronalen netzen zusammengesetzt sind, die anweisungen erteilen,ihre sensoren können oft nur ein einziges signal erfassen, wie druck, licht, hitze usw.
im vergleich dazuorganismen können nicht nur auf verschiedene signale gleichzeitig reagieren, auch ihre rezeptordichten sind extrem hoch. selbst ein finger verfügt beispielsweise über mehr als 3.000 mechanorezeptoren, die mit tausenden von nerven und nervenbahnen verbunden sind, sodass die vom finger wahrgenommenen signale schnell übertragen werden können gehirn. möchte man derart komplexe bauteile von grund auf zu einem fertigen roboter zusammenbauen, übersteigt der erforderliche prozess den aktuellen stand der menschlichen technik bei weitem.
ist es möglich, lebensformen und roboter zu einer einheit zu verschmelzen? einige wissenschaftler haben vorgeschlagenbiohybrid-roboterdie idee eines biohybriden roboters: zellen bei bedarf dazu zu bringen, nützliche formen zu bilden, oder bestimmte, von zellen auf natürliche weise gebildete gewebe zur steuerung von robotern zu nutzen.
in einem kürzlich in science robotics veröffentlichten artikel (wissenschaftsrobotik) haben forscher der cornell university in den usa einen weiteren wichtigen schritt auf dem gebiet der biohybridroboter gemacht: sieverwenden sie kräuterseitling (pleurotus eryngii)-myzel hat die bewegung vieler verschiedener roboterformen erfolgreich gesteuert。
einer der roboter, der mit pleurotus eryngii-myzel gesteuert wird (bildquelle: originalpapier)
„pleurotus eryngii roboter“
wenn wir an biohybride roboter denken, kommen uns vielleicht nicht die austernpilze in den sinn. denn der erste eindruck, den diese pilze beim menschen hinterlassen, ist, abgesehen davon, dass sie köstlich sind, vielleicht nur das wort „dumm“. er scheint weit entfernt von robotern, die verschiedene aufgaben ausführen können. im bereich der biohybriden robotik haben pilze jedoch tatsächlich viele beispiellose vorteile gegenüber tierischen zellen.
erste,pilze müssen nicht in einer sterilen umgebung wachsen und sind „einfach zu züchten“.sie müssen lediglich grundnährstoffe bereitstellen, um sich in großer zahl zu vermehren. im vergleich dazu erfordern „empfindliche“ tierische zellen nicht nur, dass forscher jeden tag frische kulturmedien austauschen, sondern auch, dass forscher dem kulturmedium antibiotika hinzufügen, um normal zu wachsen. darüber hinaus sind pilze auch in der natur weit verbreitet.überleben sie in umgebungen mit hohem salzgehalt, hohem säuregehalt, polaren bedingungen und sogar strahlung, was den grundstein für ihre vielfältigen einsatzszenarien legt.
schließlich können auch pilze sehr gefährlich seinreagieren sie sensibel auf verschiedene umweltfaktoren. licht reguliert beispielsweise den tagesrhythmus von pilzen. tief im boden bildet myzel riesige netzwerke, die auf umweltveränderungen reagieren. so wie unsere neuronen nach dem empfang von signalen aktionspotentiale erzeugen, können dies auch die zellen des myzelsähnliche elektrische signale werden durch den transport von ionen durch membranen erzeugt, wird es sogar ähnliche depolarisations- und repolarisationsprozesse geben.
dadurch erregte professor robert f. shepherd von der cornell university die aufmerksamkeit von professor robert f. shepherd von der cornell university. wenn wir die elektrischen signale von pleurotus eryngii als reaktion auf umweltfaktoren aufzeichnen und diese signale dann als anweisungen für den roboter verwenden könnten, um entsprechende aktionen auszuführen, wäre das nicht gleichbedeutend mit der verwendung von pleurotus eryngii zur steuerung des roboters? wenn man aufrundet,dies ist einfach pleurotus eryngii, der einen gundam-roboter steuert.！
kräuterseitling (bildquelle: diego delso, über wikimedia commons)
die realisierung pilzgesteuerter roboter ist jedoch nicht einfach. hierbei handelt es sich um ein systematisches ingenieurwesen, das mehrere bereiche wie maschinenbau, elektronik, mykologie, neurobiologie und signalverarbeitung vereint. das erste problem, das das forschungsteam lösen muss, besteht darin, die vibrationen und elektromagnetischen störungen während des betriebs des roboters abzuschirmen, um die vom myzel erzeugten bioelektrischen signale stabil und über einen langen zeitraum aufzuzeichnen. die methode, die sie verwendeten, bestand darin, das myzel von pleurotus eryngii zu kultivieren,lassen sie das myzel wachsen und wickeln sie es um die elektroden, eine stabile verbindung mit den elektroden herstellen und dann dieses myzelmodul nutzen, das als teil der roboterhalterung elektrische signale in echtzeit aufzeichnen kann.
das forschungsteam muss außerdem zulassen, dass die aufgezeichneten bioelektrischen signale die bewegungen des roboters leiten. daher stammen sie aus dem tierischen nervensystemzentraler mustergenerator(cpg) wurde eine spezielle steuerungsarchitektur entworfen. cpg ist ein neuronaler schaltkreis, der endogen einen rhythmischen output erzeugen und rhythmische bewegungsmuster bilden kann, ohne dass rhythmische sensorische eingaben oder zentrale feedback-eingaben erforderlich sind (wie bei vielen schwimmverhaltensweisen von neunaugen). die forscher entwickelten einen algorithmus, um die elektrischen signale des myzels in digitale steuersignale ähnlich wie cpg umzuwandeln, die an die aktuatoren des roboters – ventile oder motoren – gesendet werden, um die bewegung des roboters zu steuern.
myzel umhüllt die elektrode (bildquelle: originalpapier)
basierend auf dieser arbeit entwickelten die forscher zwei biohybride roboter, die durch das myzel von pleurotus eryngii „manipuliert“ werden können. ein doppelgängerseesterndasselbe gilt für das gehen auf fünf beinen; das andere ist ein autoauto, bewegt sich durch vier räder vorwärts. die forscher nutzten das myzelmodul als „kopf“ des roboters. die signale des „pleurotus eryngii-gehirns“ können jeweils die ventile und motoren im roboterkörper steuern und so den „seestern“ und das auto vorantreiben.
obwohl die vom „pleurotus eryngii-gehirn“ in seinem natürlichen zustand erzeugten elektrischen signale es dem roboter ermöglichen können, sich vorwärts zu bewegen, hofft das forschungsteam dennoch, dass diese biohybriden roboter auf die äußere umgebung reagieren und sich unter bestimmten bedingungen bewegen können. also wählen sieverwendung von licht als signal zur weiteren aktivierung des pleurotus eryngii-myzels. „pilze mögen kein licht, sie wachsen an dunklen orten, daher gibt ihnen licht ein starkes signal“, sagte shepherd.
forscher fanden heraus, dass unter den vier arten von licht, ultraviolettem, blauem, rotem und weißem licht,das myzel von pleurotus eryngii ist am empfindlichsten gegenüber uv-strahlen. also bestrahlten sie das myzel mit ultraviolettem licht und trieben so den roboter voran. laut dem in der zeitung veröffentlichten video muss das myzelmodul nur kurz mit ultraviolettem licht bestrahlt werden, und das starke elektrische signal, das es erzeugt, gibt anweisungen, um den „seestern“ und den roboter schneller vorwärts laufen zu lassen.
nach der uv-bestrahlung rannte der vom pleurotus eryngii-myzel gesteuerte „starfish“-roboter schnell vorwärts (videoquelle: originalpapier)
weitere anwendungen
in dieser studie testete sheppards team lediglich die fähigkeit des kräuterseitlingsmyzels, licht wahrzunehmen und darauf zu reagieren. forscher sagen jedoch, dass pilze äußerst empfindlich auf ihre umgebung reagierensolche roboter könnten in zukunft auch eingesetzt werden, um chemikalien, krankheitserreger und sogar strahlung in der umwelt aufzuspüren. beispielsweise könnten sie eingesetzt werden, um die chemische zusammensetzung landwirtschaftlicher böden zu erfassen und roboter dazu zu bringen, dünger nur zum richtigen zeitpunkt auszubringen, um die auswirkungen von dünger auf die umwelt zu reduzieren.
sheppard sagte jedoch auch:es ist schwieriger, „pilzroboter“ auf chemikalien reagieren zu lassen als auf licht. da sie eine korrelation zwischen der konzentration einer bestimmten verbindung und der elektrischen aktivität des pilzes herstellen müssen, müssen sie möglicherweise zunächst eine große datenbank mit einer großen anzahl relevanter datensätze und anmerkungen aufbauen und dann künstliche intelligenz trainieren, um dies zu erreichen .
neben dem vorteil der empfindlichkeit gegenüber schwermetallhaltigen elektronischen geräten,biohybridroboter sind zudem umweltfreundlicher. darüber hinaus können wissenschaftler, die in abgelegenen gebieten arbeiten, sogar roboter aus lokalen materialien bauen oder eine kleine menge myzel in die lokale gegend bringen und in großen mengen kultivieren. dies wird ihnen großen komfort bringen.
doch auch der „pleurotus eryngii-roboter“ weist einige mängel auf. die forscher fanden heraus, dass sich die vom myzel gesendeten signale im laufe der zeit veränderten. sie entdecktenelektrische signale werden immer schwächer, und auflösungsbeschränkungen machen es für sie schwierig, diese schwachen signale bei hohen abtastraten zu erfassen. darüber hinaus ist das myzel von pleurotus eryngii nicht unsterblich;es gibt auch eine lebensbegrenzung. wenn sie die lebensdauer solcher roboter verlängern möchten, müssen sie möglicherweise ein neues system zur signalverstärkung entwickeln und sporen und nährstoffe erneut in das myzelmodul injizieren, damit es wieder wachsen kann.
nach der uv-bestrahlung rannte der vom myzel pleurotus eryngii gesteuerte autoroboter schnell vorwärts (videoquelle: originalpapier)
tatsächlich hatten wissenschaftler vor dieser arbeit bereits viele versuche mit biohybriden robotern unternommen. beispielsweise haben wissenschaftler muskelgewebe in biohybridrobotern genutzt und durch elektrische oder chemische signale eine kontraktion des muskelgewebes ausgelöst, sodass der roboter schwimmen, gehen und andere aktionen ausführen kann. einige biohybridroboter können sogar ihre innentemperatur durch schweiß regulieren.
in den augen der einfachen leute nutzen diese wissenschaftler lediglich eine andere methode, um roboter zu steuern, aber für sie ist das absolut nicht der fall.sie verbinden umweltsignale, roboter und lebende systemedabei werden viele unsichtbare und immaterielle signale in physische aktionen umgewandelt, die tatsächlich am roboter stattfinden.
vielleicht werden sie in naher zukunft auch einen von pleurotus eryngii „angetriebenen“ roboter sehen, der langsam auf sie zuläuft.
quelle: global science
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