Lebende Roboter: Wissenschaftler haben endlich aus Robotern Lebewesen gemacht

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  Quantumrun-Vorausschau
• 8. Dezember 2022

Zusammenfassung der Einblicke

Wissenschaftler experimentieren damit, Roboter aus biologischem Gewebe anstelle von Metall und Kunststoff herzustellen. Das Potenzial dieser lebenden Roboter ist immens – von der Arzneimittelentwicklung über Therapeutika bis hin zur Nanorobotik. Diese Hybridorganismen sind nicht nur „lebendig“, sondern auch programmierbar.

Kontext lebender Roboter

Im Jahr 2020 schufen Forscher der University of Vermont und der Tufts University in den USA lebende Roboter aus Zellen des afrikanischen Krallenfrosches (Xenopus laevis). Diese lebenden Roboter, sogenannte Xenobots, zeigten bemerkenswerte Fähigkeiten. Sie könnten sich bei Beschädigung selbst heilen, ähnlich dem Heilungsprozess in natürlichen Organismen. Darüber hinaus zerfielen sie, sobald ihre Aufgabe erfüllt war, und spiegelten damit den Lebenszyklus organischer Wesen wider.

Diese Xenobots waren nicht größer als 1 Millimeter. Ihr Designprozess beinhaltete einen hochentwickelten Algorithmus, der auf einem Supercomputer läuft und sie praktisch „entwickelt“. Dieser Algorithmus begann mit einer Vielzahl dreidimensionaler Konfigurationen unter Verwendung von 500 bis 1,000 Froschhaut- und Herzzellen. Jede Konfiguration stellte einen möglichen Entwurf für die Xenobots dar. Anschließend testete der Supercomputer jedes Design virtuell und bewertete, wie effektiv es wesentliche Funktionen ausführte, beispielsweise die Bewegung als Reaktion auf die rhythmischen Kontraktionen der Herzzellen.

Die erfolgreichsten Designs führten zur Entwicklung von Prototypen der nächsten Generation. Diese Prototypen wurden strengen Tests unterzogen, um ihre Effizienz bei einer Reihe von Aufgaben zu bewerten. Die Herzzellen fungierten als Miniaturmotoren, die sich zusammenzogen und entspannten, um die Roboter anzutreiben. Dieser biologische Mechanismus ermöglichte es den Xenobots, sich autonom zu bewegen. Diese Zellen speicherten genug biologische Energie, um die Roboter eine Woche bis zehn Tage lang zu versorgen.

Störende Wirkung

Im Jahr 2021 verbesserte das Team seinen Xenobot-Prototyp, um schneller zu sein, effizienter in verschiedenen Umgebungen zu navigieren und eine längere Lebensdauer zu haben. Diese neuen Xenobots können immer noch in Gruppen zusammenarbeiten und sich selbst heilen, wenn sie beschädigt werden. Beim "Top-down"-Ansatz zur Konstruktion von Xenobots 1.0 wurden millimetergroße Automaten durch Gewebeplatzierung und chirurgische Formung von Froschhaut und Herzzellen hergestellt. Die nächste Version verfolgt einen effizienteren „bottom-up“-Ansatz.

Das Biologenteam der Tufts University begann mit Stammzellen, die Embryonen des afrikanischen Frosches entnommen wurden. Diese Zellen wurden dann sich entwickeln und zu Sphäroiden heranwachsen gelassen, wobei sich einige der Zellen nach einigen Tagen differenzierten, um Zilien zu produzieren. (Zilien sind winzige Vorsprünge, die wie Haare aussehen und sich auf eine bestimmte Weise hin und her bewegen oder drehen.) 

Die ursprünglichen Xenobots verwendeten natürlich vorkommende Herzzellen, um eine rasende Bewegung zu erzeugen, aber die neuen kugelförmigen Bots erhalten ihre Fortbewegung von Zilien. Bei Fröschen und Menschen befinden sich Zilien normalerweise auf Schleimoberflächen wie in der Lunge, die helfen, Krankheitserreger und andere Fremdstoffe zu entfernen. Bei Xenobots wurden sie jedoch umfunktioniert, um eine schnelle Bewegung über eine Oberfläche zu ermöglichen.

Die neuen Xenobots sind viel schneller und besser bei Aufgaben wie der Müllabfuhr als das 2020er-Modell. Sie können in einem Schwarm zusammenarbeiten, um durch eine Petrischale zu fegen und größere Haufen von Eisenoxidpartikeln zu sammeln. Sie können auch große flache Oberflächen bedecken oder durch enge Kapillaren wandern. Diese Studien deuten darauf hin, dass diese biologischen Bots in Zukunft zu komplexeren Verhaltensweisen fähig sind. Eines der Hauptmerkmale der Robotik ist beispielsweise, dass sie sich an vergangene Informationen erinnern und diese nutzen können, um ihr Verhalten zu ändern. Und wie es der Zufall will, enthielt das neueste Xenobot-Upgrade ein weiteres wichtiges Feature: die Fähigkeit, Daten aufzuzeichnen.

Darüber hinaus sagen die Wissenschaftler, dass zukünftige Versionen der Roboter aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften möglicherweise für Aufgaben wie die Beseitigung von Mikroplastikverschmutzung in Ozeanen, die Verdauung giftiger Materialien, die Abgabe von Medikamenten im Körper oder die Entfernung von Plaque von Arterienwänden eingesetzt werden könnten.

Auswirkungen lebender Roboter

Zu den weiteren Auswirkungen von lebenden Robotern können gehören: 

• Lebende Roboter, denen Injektionen verabreicht werden, um neurologische Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson durch ihre selbstreparierenden Eigenschaften zu heilen.
• Lebende Roboter testen, wie Zellen auf unterschiedliche Medikamente und Dosierungen reagieren, beschleunigen die Medikamentenentwicklung und machen sie sicherer.
• Lebende Roboter, die zur Zerstörung von Mikroplastik und anderen Nanopartikeln eingesetzt werden.
• Wissenschaftler, die verschiedene Gruppen von lebenden Robotern verwenden, um tiefergehende Zell- und Organismusforschung für die regenerative Medizin durchzuführen.
• Eine zunehmende Debatte darüber, ob lebende Roboter als Maschinen oder Lebewesen mit Rechten einzustufen sind.
• Unternehmen in der Pharma- und Gesundheitsbranche setzen auf lebende Robotertechnologie für die gezielte Medikamentenverabreichung, was zu präziseren und wirksameren Behandlungen führt.
• Umweltbehörden nutzen lebende Roboter für biologische Sanierungsprozesse, um kontaminierte Gewässer und Böden effektiv zu reinigen.
• Die Entstehung ethischer Richtlinien und Vorschriften durch Regierungen zur Überwachung des Einsatzes lebender Roboter, um eine verantwortungsvolle Entwicklung und Anwendung in verschiedenen Bereichen sicherzustellen.

Fragen zu berücksichtigen

• Welche anderen Möglichkeiten gibt es, wie lebende Roboter die medizinische Forschung verbessern können?
• Wie werden lebende Roboter Ihrer Meinung nach in anderen Branchen eingesetzt werden?