Wissenschaftler nutzen lebende Froschzellen, um die weltweit ersten lebenden Roboter zu entwickeln

In einer bemerkenswerten Kombination aus biologischem Leben und Robotik haben Wissenschaftler lebende Froschzellen umfunktioniert und verwendet, um “Xenobots” zu entwickeln. Die Zellen stammen aus Froschembryonen, und die Xenobots sind nur etwa einen Millimeter breit. Sie sind in der Lage, sich auf ein Ziel zuzubewegen, möglicherweise eine Ladung wie Medizin für den menschlichen Körper aufzunehmen und sich nach einem Schnitt oder Schaden selbst zu heilen.

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

Die Wissenschaftler haben die Roboter auf einem Supercomputer an der University of Vermont entworfen, und eine Gruppe von Biologen an der Tufts University hat sie zusammengebaut und getestet.

“Wir können viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die andere Maschinen nicht können”, sagt Co-Leiter Michael Levin, der das Center for Regenerative and Developmental Biology an der Tufts University leitet. “Wie zum Beispiel 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 “vollständig biologische Maschinen von Grund auf” entwirft.

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

Wenn der Computer mit der Aufgabe betraut wurde, eine von den Wissenschaftlern gestellte Aufgabe zu erfüllen, wie zum Beispiel die Fortbewegung in eine Richtung, würde er kontinuierlich einige hundert simulierte Zellen in verschiedene Formen und Körper umstrukturieren. Wenn die Programme liefen, wurden die erfolgreichsten simulierte Organismen beibehalten und verfeinert. Der Algorithmus lief hundert Mal unabhängig, und die besten Designs wurden für Tests ausgewählt.

Das Team an der Tufts, geleitet von Levin und mit 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 gewonnen wurden, der Art Xenopus laevis. Einzelne Zellen wurden dann getrennt und inkubiert. Das Team nutzte winzige Pinzetten und eine Elektrode, um die Zellen zu schneiden und unter einem Mikroskop in die vom Computer entworfenen Designs zu verbinden.

Die Zellen wurden in völlig neue Körperformen zusammengebaut und begannen, zusammenzuarbeiten. Die Hautzellen entwickelten sich zu einem passiveren Aufbau, und die Herzmuskelzellen waren für die Erzeugung von geordneter Vorwärtsbewegung verantwortlich, wie vom Computersystem geleitet. Die Roboter konnten sich aufgrund der spontanen Selbstorganisationsmuster selbstständig bewegen.

Die Organismen waren in der Lage, sich auf eine kohärente Weise zu bewegen, und sie überlebten Tage oder Wochen, während sie ihre wässrige Umgebung erkundeten. Sie nutzten die embryonale Energie, aber sie versagten, wenn sie auf den Rücken gelegt wurden.

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

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

“Der Nachteil von lebendem Gewebe ist, dass es schwach ist und sich abbaut”, sagt Bongard. “Das ist, warum wir Stahl verwenden. Aber Organismen haben 4,5 Milliarden Jahre Erfahrung 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 erfüllt 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. “Viel von 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 von einem haben möchte, wie modifiziert man die Ameisen? Wir hätten keine Ahnung.”

“Ich denke, es ist eine absolute Notwendigkeit für die Gesellschaft, in Zukunft eine bessere Handhabung von Systemen zu entwickeln, 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 erhalten, das wir wollen?”

“Diese Studie ist ein direkter Beitrag dazu, eine bessere Handhabung dessen zu erlangen, wovor die Menschen Angst haben, nämlich ungewollte Konsequenzen, sei es in 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 werden.”

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