Der Universität von Vermont ist ein Durbruch in der Robotertechnologie gelungen: Der erste lebende Roboter.

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern lebende Zellen – aus Froschembryonen geschnippelt – neu angeordnet und zu völlig neuen Lebensformen zusammengesetzt.

Diese millimeterbreiten “Xenobots” können sich auf ein Ziel zubewegen, vielleicht sogar eine Nutzlast aufnehmen (wie ein Medikament, das so zum betroffnen Organ “geliefert” werden kann) – und sich selbst heilen.

Das sind neuartige lebende Maschinen“, sagt Joshua Bongard, ein Informatiker und Robotikexperte an der Universität von Vermont, der die neue Forschung mit geleitet hat.

Sie sind weder ein traditioneller Roboter noch eine bekannte Tierart. Es ist eine neue Klasse von Artefakten: ein lebender, programmierbarer Organismus.

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Die neuen Kreaturen wurden auf einem Supercomputer im UVM entworfen – und dann von Biologen der Tufts-Universität zusammengebaut und getestet.

Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die andere Maschinen nicht können“, sagt Co-Leiter Michael Levin, der das Zentrum für Regenerations- und Entwicklungsbiologie an der Tufts Universität leitet, “wie zum Beispiel das Aufspüren von negativen Verbindungen oder radioaktiver Verseuchung, das Sammeln von Mikroplastik in den Ozeanen, das Reisen in den Arterien, um Plaque auszukratzen“.

Die Ergebnisse der neuen Forschung wurden am 13. Januar in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Nach monatelanger Rechenzeit auf dem Deep Green Supercomputer-Cluster im Vermont Advanced Computing Core des UVM hat das Team – darunter der Hauptautor und Doktorand Sam Kriegman – einen evolutionären Algorithmus verwendet, um Tausende von Kandidaten-Designs für die neuen Lebensformen zu erstellen.

Bei dem Versuch, eine von den Wissenschaftlern gestellte Aufgabe – wie die Fortbewegung in eine Richtung – zu erfüllen, würde der Computer immer wieder einige hundert simulierte Zellen zu unzähligen Formen und Körperformen zusammensetzen.

Während die Programme liefen – getrieben von Grundregeln über die Biophysik dessen, was einzelne Froschhaut- und Herzzellen tun können – wurden die erfolgreicheren simulierten Organismen beibehalten und verfeinert, während gescheiterte Entwürfe verworfen wurden.

Nach hundert unabhängigen Durchläufen des Algorithmus wurden die vielversprechendsten Designs für die Tests ausgewählt.

Dann übertrug das Team von Tufts, unter der Leitung von Levin und mit der Schlüsselarbeit des Mikrochirurgen Douglas Blackiston, die in silico Designs ins Leben. Zuerst sammelten sie Stammzellen, die aus den Embryonen afrikanischer Frösche der Art Xenopus laevis gewonnen wurden., daher der Name “Xenobots

Diese wurden in einzelne Zellen getrennt und zur Inkubation gebracht. Dann wurden die Zellen mit einer winzigen Pinzette und einer noch kleineren Elektrode geschnitten und unter dem Mikroskop in einer engen Annäherung an die vom Computer vorgegebenen Muster zusammengefügt.

Die Zellen wurden zu Körperformen zusammengesetzt, die in der Natur noch nie gesehen wurden, und begannen schließlich zusammenzuarbeiten. Die Hautzellen bildeten eine passivere Architektur, während die einst zufälligen Kontraktionen der Herzmuskelzellen eine geordnete Vorwärtsbewegung erzeugten, die durch das Programm des Computers gesteuert und durch spontane selbstorganisierende Muster unterstützt wurde – so konnten sich die Roboter selbstständig bewegen.

Viele Technologien werden aus Stahl, Beton oder Kunststoff hergestellt. Das kann sie stark oder flexibel machen. Aber sie können auch ökologische und gesundheitliche Probleme verursachen, wie die wachsende Geißel der Kunststoffverschmutzung in den Ozeanen und die Toxizität vieler synthetischer Materialien und Elektronik beweist.

Der Nachteil von lebendem Gewebe ist, dass es schwach ist und sich zersetzt“, sagt Bongard. “Deshalb verwenden wir Stahl. Aber die Organismen haben 4,5 Milliarden Jahre Übung darin, sich zu regenerieren und das über Jahrzehnte.” Und wenn sie aufhören zu arbeiten, zerfallen sie normalerweise harmlos. “Diese Xenobots sind vollständig biologisch abbaubar“, sagt Bongard, “wenn sie nach sieben Tagen mit ihrer Arbeit fertig sind, sind sie nur tote Hautzellen.

Wenn die Menschheit in der Zukunft überleben will, müssen wir besser verstehen, wie komplexe Eigenschaften irgendwie aus einfachen Regeln entstehen“, sagt Levin. Ein Großteil der Wissenschaft konzentriert sich auf die “Kontrolle der Regeln auf der unteren Ebene. Wir müssen auch die Regeln der hohen Ebene verstehen“, sagt er.

Quelle/Sender (gekürzt): University of Vermont