Roboter unter Kontrolle eines Pilzherrschers gestellt

Die meisten Lebewesen übertreffen Maschinen bei der Navigation in realen Umgebungen und der Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Bedingungen bei weitem. Eine Möglichkeit, diese Lücke zu schließen, ist der Bau biohybrider Roboter, die synthetische Maschinen mit biologischen Komponenten wie Tiermuskeln, Bakterien oder Pflanzen kombinieren.

Aber lebende Muskeln sind sehr schwer in einer Maschine am Leben zu erhalten, Bakterien haben eine sehr kurze Lebensdauer und Pflanzen neigen dazu, auf Dinge etwas langsam zu reagieren, wie Ents in Der Herr der RingeEin Wissenschaftlerteam der Cornell University ging daher einen anderen Weg und baute biohybride Roboter, die von Pilzen, genauer gesagt Austernpilzen, gesteuert werden.

Die Signale der Pilze verstehen

Roboter, die von Pilzen gesteuert werden, trotz der starken Der Letzte von uns Vibes sind auf dem Papier eine gute Idee. Pilze sind sehr leicht zu erhalten und können praktisch überall leben, auch in extremen Umgebungen wie der Arktis oder sogar inmitten nuklearer Kontamination. Sie sind außerdem in großen Mengen billig zu züchten und reagieren hervorragend auf Umweltreize wie Lichteinwirkung.

Die größte Herausforderung bestand jedoch darin, sie mit Robotern zu verbinden, denn wie kann man einen Roboter mit einem Pilz verbinden?

„Bisher wurde die Verbindung zwischen einem Pilz und einer elektrischen Maschine durch Bildgebung hergestellt (wie schnell er wuchs). Neu ist, dass wir eine direkte Verbindung zum Myzel hergestellt und es dann zur Steuerung einer Maschine verwendet haben“, sagt Robert F. Shepherd, außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der Cornell University und Co-Autor der Studie. Das Myzel ist ein großes Netzwerk verzweigter filamentöser Strukturen, die Hyphen genannt werden und sich oft unter der Erde befinden. Pilze nutzen es, um ihre Umgebung wahrzunehmen und über elektrische Signale miteinander zu kommunizieren.

Der Trick, um das Myzel mit einem elektrischen System zu verbinden, bestand darin, es in einem 3D-gedruckten Gerüst zu kultivieren, bis es nach 14 bis 33 Tagen im Wesentlichen in die Elektroden hineingewachsen war. Aber eine stabile Verbindung herzustellen war eine Sache; seine Signale zu lesen eine ganz andere.

Das Team zeichnete 30 Tage lang die elektrische Aktivität der Pilze auf und analysierte dann, was sie sahen. Zunächst wurden alle Signale unter 5 Mikrovolt als Rauschen klassifiziert. Dann tastete das Team die Daten in 30-Sekunden-Intervallen ab und wendete einen digitalen Filter an, um alles unter diesen 5 Mikrovolt zu glätten und elektronisches Rauschen zu entfernen. Auf diese Weise konnten sie Spitzen in der elektrischen Kommunikation der Pilze präzise identifizieren, messen und charakterisieren. Danach begannen Shepherd und seine Kollegen zu testen, wie die Pilze auf einfache Reize wie die Einwirkung von UV-Licht unterschiedlicher Intensität reagieren. Danach wurden die Gerüste mit den Pilzmyzelien und Elektroden vor Vibrationen und magnetischen Störungen abgeschirmt und in zwei Roboter eingebaut: einen laufenden, der einem Seestern ähnelt, und einen eher herkömmlichen Rover mit vier Rädern.

Das Team demonstrierte, dass die Pilze die Roboter steuern konnten, indem sie sie auf eine UV-Lichtquelle zu oder von ihr weg bewegten.

Das bedeutet jedoch, dass die pilzbetriebenen Steuereinheiten mit all ihrer Abschirmung und Signalverarbeitung ungefähr das leisten, was der dümmste handelsübliche Lichtsensor leisten kann. Aber Pilze können nicht nur auf Licht, sondern auch auf Chemikalien reagieren. Und beim Erfassen von Chemikalien schlagen sie praktisch jeden synthetischen Sensor auf dem Planeten.

Chemische Pilzdetektoren

„Wenn wir dieses besser kontrollierbare System haben, müssen wir uns jetzt die Belastung durch Chemikalien und biologische Einflüsse ansehen. Lebende Organismen können diese Signale viel besser verstärken als synthetische Systeme, die sehr, sehr kleine Mengen an Chemikalien erkennen“, sagt Shepherd. Er sagte, dass die Verwendung von Pilzen als chemische Detektoren weitaus anspruchsvoller wäre, weil die bei Pilzen aufgezeichnete elektrische Aktivität mit ihrer Belastung durch eine breite Palette chemischer Reize wie dem Säuregehalt der Umgebung oder dem Vorhandensein spezifischer chemischer Verbindungen wie Cyanid in Verbindung gebracht werden müsste.

Der wahrscheinlichste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, große Datensätze elektrischer Pilzsignale aufzuzeichnen, die als Reaktion auf jede Exposition ausgesendet werden, diese zu kommentieren und dann KI-Modelle zu trainieren, um die Pilzsprache zu interpretieren. Im Idealfall wäre es möglich, festzustellen, „dass dieses elektrische Muster bedeutet, dass der Boden leicht zu sauer ist.“

„Der Pilz interagiert mit der Umwelt und wir müssen nur lernen, was all die Signale bedeuten. Wie das Signal aussieht, wenn er auf etwas trifft, das er mag, und wie es aussieht, wenn er etwas hasst“, sagt Shepherd. Viele Dinge, die Pilze töten, töten auch Pflanzen, fügt er hinzu, was Pilz-Biohybridroboter potenziell nützlich in der Landwirtschaft macht.

„Wir betrachten solche Systeme als Verbindungspunkte, die den Gesundheitszustand der Pflanzen messen, um eine Überdüngung der Felder zu vermeiden. Stellen Sie sich einen vierbeinigen Roboter vor, dessen Füße voller Myzel sind und der beim Durchqueren der Umgebung lokale Messungen vornimmt. Oder ein Myzel, das sich über ein ganzes Feld ausbreitet, und ein Roboter, der einfach Elektroden in diese myzelreiche Umgebung sticht, um sich damit zu verbinden“, sagt Shepherd. Das einzige Problem ist, dass Pilze wie alle Lebewesen irgendwann sterben. Aber das Team sieht auch dafür Möglichkeiten.

„Wir haben die Möglichkeit, Sporen und Nährstoffe erneut zu injizieren, damit das alte Myzel wieder wächst, und das wird eine tolle Sache. Das Leben und der Tod und die Wiedergeburt unserer Roboter“, sagt Shepherd.

Wissenschaftliche Robotik, 2024. DOI: 10.1126/scirobotics.adk8019