Wissenschaftler nutzen lebende Froschzellen, um die erste lebende Roboter der Welt zu entwickeln

In einer bemerkenswerten Kombination aus biologischem Leben und Robotik hat ein Team von Wissenschaftlern lebende Froschzellen umfunktioniert und sie verwendet, um “Xenobots” zu entwickeln. Die Zellen stammten aus Froschembryonen, und die Xenobots sind nur einen Millimeter breit. Sie sind in der Lage, sich auf ein Ziel zuzubewegen, möglicherweise eine Ladung wie Medizin für den Inneren des menschlichen Körpers aufzunehmen und sich nach einem Schnitt oder Schaden selbst zu heilen.

“Das sind neue lebende Maschinen”, so Joshua Bongard, ein Informatiker und Roboter-Experte an der University of Vermont, der die neue Forschung gemeinsam leitete. “Sie sind weder ein traditioneller Roboter noch eine bekannte Tierart. Es ist eine neue Klasse von Artefakt: ein lebendes, programmierbares Organismus.”

Die Wissenschaftler entwarfen die Roboter auf einem Supercomputer an der University of Vermont, und eine Gruppe von Biologen an der Tufts University montierte und testete sie.

“Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die andere Maschinen nicht können”, sagt Co-Leader Michael Levin, der das Center for Regenerative and Developmental Biology an der Tufts leitet, “wie das Aufspüren von schädlichen Verbindungen oder radioaktiver Kontamination, das Sammeln von Mikroplastik in den Ozeanen, das Reisen in Arterien, um Plaque zu entfernen.”

Die Forschung wurde am 13. Januar in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Laut dem Team ist dies das erste Mal, dass Forschung “völlig biologische Maschinen von Grund auf” entwirft.

Es dauerte Monate von Verarbeitungszeit auf dem Deep Green Supercomputer-Cluster im Vermont Advanced Computing Core der UVM. Das Team umfasste den Lead-Autor und Doktoranden Sam Kriegman, und sie verließen sich auf einen evolutionären Algorithmus, um Tausende von verschiedenen Designs für die neuen Lebensformen zu entwickeln.

Wenn der Computer von den Wissenschaftlern mit der Erledigung einer Aufgabe beauftragt wurde, wie z.B. der Fortbewegung in eine Richtung, würde er kontinuierlich ein paar hundert simulierter Zellen in verschiedene Formen und Körper umgestalten. Als die Programme liefen, wurden die erfolgreichsten simulierten Organismen beibehalten und verfeinert. Der Algorithmus lief unabhängig hundert Mal, und die besten Designs wurden für Tests ausgewählt.

Das Team an der Tufts, geleitet von Levin und mit der Hilfe des Mikrochirurgen Douglas Blackiston, übernahm dann das Projekt. Sie übertrugen die Designs in die nächste Stufe, die das Leben war. Das Team sammelte Stammzellen, die aus den Embryonen von afrikanischen Fröschen, der Art Xenopus laevis, gewonnen wurden. Einzelne Zellen wurden dann getrennt und inkubiert. Das Team verwendete winzige Pinzetten und eine Elektrode, um die Zellen unter einem Mikroskop in die vom Computer entworfenen Designs zu schneiden und zu verbinden.

Die Zellen wurden in völlig neue Körperformen zusammengebaut und begannen, zusammenzuarbeiten. Die Hautzellen entwickelten sich zu einem passiveren Bau und die Herzmuskelzellen waren für die Erzeugung von geordneter Vorwärtsbewegung verantwortlich, wie vom Computer-Design vorgegeben. Die Roboter konnten sich aufgrund der spontanen Selbstorganisationsmuster selbst bewegen.

Die Organismen waren in der Lage, sich auf koherente Weise zu bewegen und überlebten Tage oder Wochen, indem sie ihre wasserreiche Umgebung erkundeten. Sie verließen sich auf embryonale Energiespeicher, aber sie versagten, wenn sie auf den Rücken geflippt wurden.

“Es ist ein Schritt in Richtung der Verwendung von computerentworfenen Organismen für intelligente Arzneimittelabgabe”, sagt Bongard, ein Professor im Department of Computer Science und Complex Systems Center der UVM.

Da die Xenobots lebende Technologien sind, haben sie bestimmte Vorteile.

“Der Nachteil von lebendem Gewebe ist, dass es schwach und degeneriert”, sagt Bongard. “Das ist, warum wir Stahl verwenden. Aber Organismen haben 4,5 Milliarden Jahre Übung darin, sich selbst zu regenerieren und Jahrzehnte lang zu überleben. Diese Xenobots sind vollständig biologisch abbaubar”, fährt er fort. “Wenn sie ihre Aufgabe nach sieben Tagen erledigt haben, sind sie nur tote Hautzellen.”

Diese Entwicklungen werden große Auswirkungen auf die Zukunft haben.

“Wenn die Menschheit in die Zukunft überleben will, müssen wir besser verstehen, wie komplexe Eigenschaften irgendwie aus einfachen Regeln entstehen”, sagt Levin. “Ein großer Teil der Wissenschaft konzentriert sich auf die Kontrolle der niedrigen Regeln. Wir müssen auch die hohen Regeln verstehen. Wenn man einen Ameisenhügel mit zwei Schornsteinen anstelle eines haben wollte, wie würde man die Ameisen modifizieren? Wir hätten keine Ahnung.”

“Ich denke, es ist eine absolute Notwendigkeit für die Gesellschaft, in Zukunft einen besseren Griff auf Systeme zu bekommen, bei denen das Ergebnis sehr komplex ist. Ein erster Schritt dazu ist, zu erforschen: Wie entscheiden lebende Systeme, was ein Gesamtverhalten sein soll und wie können wir die Teile manipulieren, um das Verhalten zu bekommen, das wir wollen?”

“Diese Studie ist ein direkter Beitrag dazu, einen Griff auf das zu bekommen, wovor die Menschen Angst haben, nämlich ungewollte Konsequenzen, sei es bei der schnellen Ankunft von selbstfahrenden Autos, der Veränderung von Gen-Drives, um ganze Linien von Viren auszurotten, oder den vielen anderen komplexen und autonomen Systemen, die zunehmend die menschliche Erfahrung prägen.”

“Es gibt all diese angeborene Kreativität im Leben”, sagt UVM’s Josh Bongard. “Wir wollen das tiefer verstehen – und wie wir es in neue Formen lenken und drängen können.”