Schwimmende lebende Roboter können sich selbst trainieren

Robotiker zielen darauf ab, das nachzuahmen, was natürliche biologische Einheiten erreicht haben – Aktionen wie Bewegung, Anpassung an die Umgebung oder Wahrnehmung. Neben den traditionellen starren Robotern hat sich kürzlich das Gebiet der weichen Robotik herausgebildet, bei dem nachgiebige, flexible Materialien verwendet werden, die sich effizienter an ihre Umgebung anpassen können als starre. Mit diesem Ziel vor Augen arbeiten Wissenschaftler auf dem Gebiet der biohybriden Roboter oder Biobots. Diese bestehen im Allgemeinen aus Muskelgewebe, entweder Herz- oder Skelettmuskelgewebe, und einem künstlichen Gerüst, das Krabbeln, Greifen oder Schwimmen ermöglichen kann. Leider sind aktuelle Biobots nicht in der Lage, die Leistung natürlicher Wesen in Bezug auf Mobilität und Kraft nachzuahmen.

Forscher haben beide Herausforderungen durch den Einsatz biotechnologischer Werkzeuge gemeistert. Sie wandten 3D-Bioprinting und Konstruktionsdesign für die Entwicklung von Biobots im Zentimeterbereich an, die wie Fische mit beispielloser Geschwindigkeit schwimmen und rollen können. Der Schlüssel ist die Verwendung der spontanen Kontraktion von Materialien auf Muskelzellenbasis mit einem sehr nachgiebigen Skelett.

Anstatt mit steifen oder angebundenen Gerüsten zu arbeiten, um künstliche Roboter herzustellen, verwendeten die Forscher biologische Roboter, die auf einer flexiblen Serpentinenfeder aus einem Polymer namens PDMS basierten, das durch Simulationen entworfen und optimiert und dann mit 3D-Drucktechnologie gedruckt wurde. Der Vorteil dieses innovativen Gerüsts liegt in der verbesserten Schulung und Entwicklung des Gewebes durch mechanische Selbststimulation bei spontanen Kontraktionen, die aufgrund der Rückstellkraft der Feder eine Rückkopplungsschleife erzeugen. Dieses Selbsttrainingsereignis führt zu einer verbesserten Betätigung und einer größeren Kontraktionskraft. Solche Serpentinenfedern wurden zuvor noch nicht in einem weichen Roboter-Lebenssystem enthalten. Neben der Fähigkeit, sich selbst zu trainieren, bewegten sich die auf Skelettmuskelzellen basierenden biohybriden Schwimmer 791-mal schneller als aktuelle Biobots auf Skelettmuskelbasis und waren mit anderen auf Kardiomyozyten basierenden Bioschwimmern (auf Basis von Herzzellen) vergleichbar.

Die neuen Biobots konnten auch andere Bewegungen ausführen. Sie waren in der Lage zu rollen, wenn sie in der Nähe der Bodenoberfläche platziert wurden, was dem Schwimmstil bestimmter Fische ähnelt, der durch sporadische Ausbrüche gekennzeichnet ist, gefolgt von Küstenphasen.

Die Arbeit hat auch Anwendungen in der Arzneimittelabgabe und der Entwicklung bionischer Prothesen.