Biorobotik: Nerven- und Herzmuskelzellen treiben Mini-Schwimmroboter an
Nerven- und Herzmuskelzellen treiben einen rochenförmigen Schwimmroboter vorwärts. Elektrische Signale regen Muskelzellen an, der Roboter wird ferngesteuert.
Der biohybride Mini-Schwimmroboter zieht seine Bahnen in einer Petrischale.
(Bild: Hiroyuki Tetsuka (Screenshot))
Ein Forschungsteam aus Biowissenschaftlern und Robotikern des US-amerikanischen Brigham and Women’s Hospital sowie des schweizerischen iPrint Institutes haben gemeinsam einen Mini-Schwimmroboter entwickelt, der von rochenartigen Flossen mit Muskelgewebe aus Nerven- und Herzmuskelzellen angetrieben wird. Der Roboter nutzt einen Prozessor, um die Flossen zu stimulieren und darüber genau ansteuern zu können.
Biohybride Roboter sollen die Fähigkeiten biologischer Lebewesen mit denen von Robotern kombinieren, um so leistungsfähigere Systeme zu erhalten. Zunächst geht es jedoch darum, biologisches Gewebe mit einem Computer und künstlichen mechanischen Teilen zu kombinieren. In den beiden Studien "Float like a butterfly, swim like a biohybrid neuromuscular robot" und "Wirelessly steerable bioelectronic neuromuscular robots adapting neurocardiac junctions" beschreiben die Forscher einen biohybriden Schwimmroboter. Beide wissenschaftlichen Arbeiten sind in Science Robotics veröffentlicht.
Um den rochenähnlichen Roboter herstellen zu können, kultivierten die Forscher Motoneuronen (Nervenzellen) und Kardiomyozyten (Herzmuskelzellen) aus menschlichen pluripotenten Stammzellen. Die Kardiomyozyten wurden so angeregt, dass sie auf einem Gerüst, das Rochenflossen nachempfunden war, zu Muskelzellgewebe heranwuchsen. Dabei verbanden sie sich mit den Motoneuronen, was zur Bildung elektrischer Synapsen führte.
Schwimmen wie ein Rochen
Einige der Motoneuronen verbanden die Wissenschaftler mit einem Prozessor, um den kleinen biohybriden Schwimmroboter ansteuern zu können. Über gezielte elektrische Impulse regten die Forscher die Flossen zu wellenförmigen Bewegungen zur Fortbewegung an.
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Den Wissenschaftlern gelang es dabei, die Flossen über Wi-Fi auch so anzusteuern, dass entweder nur die linke oder nur die rechte Flosse aktiv war. So konnte der Roboter die Richtung wechseln und genau manövriert werden. Er war auch in der Lage, scharfe Kurven zu schwimmen. Als maximale Geschwindigkeit erreichte der Bioroboter 0,52 mm/s ± 0,22 mm/s.
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(olb)