30/08/2024
Door Ad Spijkers
Het bouwen van een robot kost tijd, technische vaardigheden, de juiste materialen – en soms een beetje schimmel.
Bij het creëren van een paar nieuwe robots creëerden onderzoekers van Cornell University in Ithaca (375 km noordwestelijk van Nw York City) een onwaarschijnlijk onderdeel,. Het is namelijk niet in het lab gemaakt maar werd op de bodem van een bos aangetroffen: schimmelmycelia. Door de aangeboren elektrische signalen van mycelia te benutten, ontdekten de onderzoekers een nieuwe manier om biohybride robots te besturen. Deze kunnen mogelijk beter op hun omgeving reageren dan hun puur synthetische tegenhangers.
Schimmels voor robots
De onderzoekers verwachten dat veel ontwikkelaars het schimmelrijk zullen gebruiken om robots te voorzien van omgevingssensoren en commandosignalen om hun autonomie te verbeteren. Door mycelium in de elektronica van een robot te laten groeien, konden de onderzoekers een biohybride machine de omgeving laten waarnemen en erop laten reageren. In dit geval gebruikten ze licht als input, maar in de toekomst zal die chemisch zijn.
De potentie voor toekomstige robots zou kunnen zijn om de bodemchemie in rijgewassen te detecteren en te beslissen wanneer er meer meststof moet worden toegevoegd. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren om de stroomafwaartse effecten van landbouw, zoals schadelijke algenbloei, te verzachten.
Bij het ontwerpen van de robots van morgen haalden ingenieurs veel aanwijzingen uit het dierenrijk. Ze lieten machines de manier waarop levende wezens bewegen nabootsen, hun omgeving waarnemen en zelfs hun interne temperatuur regelen door middel van transpiratie. Sommige robots hebben levend materiaal opgenomen, zoals cellen uit spierweefsel, maar die complexe biologische systemen zijn moeilijk gezond en functioneel te houden.
Mycelia
Mycelia zijn het ondergrondse vegetatieve deel van paddenstoelen en ze hebben een aantal voordelen. Ze kunnen groeien onder zware omstandigheden. Ze kunnen ook chemische en biologische signalen detecteren en reageren op meerdere inputs.
Een synthetisch systeem, bijvoorbeeld een passieve sensor, wordt maar voor één doel gebruikt. Maar levende systemen reageren op aanraking, op licht, op warmte en zelfs op sommige onbekende zaken, zoals signalen. De vraag voor ontwikkelaars is altijd hoe toekomstige robots in een onverwachte omgeving kunnen werken. Ze kunnen deze levende systemen benutten; op elke onbekende input die binnenkomt, zal de robot reageren.
Het vinden van een manier om paddenstoelen en robots te integreren vereist meer dan alleen technische kennis en groene vingers. Een ontwikkeltijd moet een achtergrond hebben in werktuigbouwkunde, elektronica, mycologie, neurobiologie en signaalverwerking. Om dit soort systemen te bouwen, moeten al deze vakgebieden samen komen.
Aan het onderzoek aan Cornell University zijn onder meer neurobiologen en gedragswetenschappers deel. Robotici leerden hoe ze de elektrische signalen konden registreren die worden overgedragen in de neuronachtige ionkanalen in het myceliummembraan. Plantpathologen en –microbebiologen brachten in hoe onderzoekers schone myceliaculturen kunnen kweken. Contaminatie blijkt namelijk een behoorlijke uitdaging te zijn als je elektroden in schimmels steekt.
Biohybride systeem
Het in Ithaca ontwikkelde systeem bestaat uit een elektrische interface die trillingen en elektromagnetische interferentie blokkeert. Ook registreert en verwerkt het nauwkeurig in real-time de elektrofysiologische activiteit van het mycelium. Ook omvat het systeem een controller die is geïnspireerd op centrale patroongeneratoren; een soort neuraal circuit. In wezen leest het systeem het ruwe elektrische signaal, verwerkt het en identificeert de ritmische pieken van het mycelium. Vervolgens zet het systeem die informatie om in een digitaal besturingssignaal, dat naar de actuatoren van de robot wordt gestuurd.
De onderzoekers bouwden twee biohybride robots: een zachte robot in de vorm van een spin (foto) en een robot met wielen. De robots voltooiden drie experimenten. In het eerste experiment liepen en rolden de robots respectievelijk als reactie op de natuurlijke continue pieken in het signaal van de mycelia. Vervolgens stimuleerden de onderzoekers de robots met ultraviolet licht, waardoor ze hun gangen veranderden, wat het vermogen van de mycelia om te reageren op hun omgeving aantoonde. In het derde scenario konden de onderzoekers het oorspronkelijke signaal van de mycelia volledig negeren.
De implicaties van dit onderzoek reiken veel verder dan de vakgebieden robotica en schimmels. Het gaat ook over het creëren van een echte verbinding met het levende systeem. Want zodra het signaal wordt waargenomen, wordt ook begrepen wat er gebeurt. Misschien komt dat signaal van een soort stress. Onderzoekers zien dus de fysieke reactie. De signalen zelf kunnen ze ons niet voorstellen, maar de robot maakt een visualisatie.
Foto: screenshot video Cornell University