Sinistere, hersencontrolerende paddenstoelen zijn een hoofdbestanddeel van sciencefictionshows en literatuur. Terwijl gehersenspoelde mensen die paddenstoelen aanbieden een fantasie blijven, hebben onderzoekers nu geleerd hoe ze de beweging van robots kunnen controleren met behulp van elektrische signalen die worden geproduceerd door het mycelium van de gewone koningsoesterzwam. Deze machine, die deels een schimmelrobot is, zou op een dag kunnen dienen als bouwsteen voor meer geavanceerde ‘biohybride’ hersenschimmen die landbouwvelden op afstand kunnen analyseren op potentieel schadelijke veranderingen in de bodemchemie.
Onderzoekers van Cornell University en de Universiteit van Florence in Italië wilden zien of de elektrische signalen die door het paddenstoelenmycelium pulseren, konden worden vertaald in besturingsinvoer voor robots. De bevindingen werden vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap Robotica. Uiteindelijk zijn ze erin geslaagd een systeem te creëren dat in de natuur voorkomende elektrische signalen die door het mycelium worden verzonden, kan analyseren en verwerken. Die datapunten werden vervolgens vertaald in een ‘digitaal besturingssignaal’ dat, wanneer het naar het paar robots werd gestuurd, ervoor zorgde dat ze in beweging kwamen. De onderstaande video toont een van die robots, een zachte zeesterachtige machine, die heen en weer vouwt terwijl de onderzoekers de aangehechte schimmels met UV-licht flitsen. Veel schimmels houden niet van blootstelling aan licht.
“Dit werk is het eerste van vele waarin het schimmelkoninkrijk zal worden gebruikt om omgevingssensoren en commandosignalen aan robots te leveren om hun autonomieniveau te verbeteren”, zegt Rob Shepherd, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Cornell University. “Door het mycelium in de elektronica van de robot te laten groeien, konden we de biohybride machine in staat stellen zijn omgeving waar te nemen en erop te reageren.”
Bij het onderzoek is gebruik gemaakt van de ondergrond van paddenstoelen
Mycelium is een spiraalvormig netwerk van ondergrondse stammen die schimmels aan elkaar binden. Schimmels reageren op natuurlijke wijze op veranderingen in hun natuurlijke omgeving, of het nu gaat om variaties in de bodemchemie of verhoogde blootstelling aan licht, door elektrofysiologische signalen door het mycelium te sturen. Deze elektrische signalen produceren activiteitspatronen die volgens sommige onderzoekers op neuronen lijken, wat grotendeels de inspiratie is geweest voor de vooruitgang in moderne machine learning en robotica.
Hoewel biohybriden in het verleden zijn onderzocht met behulp van gekweekte dierlijke en plantaardige cellen, kozen de onderzoekers ervoor om zich te concentreren op schimmels vanwege hun unieke duurzaamheid. Het is bekend dat schimmels overleven bij extreem lage temperaturen en bestand zijn tegen stralingsniveaus die veel planten of dieren zouden doden. Die ecologische veerkracht zou nuttig kunnen zijn bij toekomstige pogingen om biohybride robots in te zetten in zware, meedogenloze omgevingen of zelfs in de ruimte. Voor dit onderzoek is speciaal gekozen voor de Koningsoestervariant omdat deze relatief eenvoudig te kweken en te onderhouden is, zo blijkt uit de paper.
Om hun tests uit te voeren, begonnen deze onderzoekers met het kweken van King-oesterzwammen in het laboratorium met behulp van een online gekochte kit. De paddestoelcellen groeiden twee tot vier weken in een petrischaaltje en werden vervolgens geïntegreerd in een 3D-geprint robotplatform. De door de onderzoekers gecreëerde elektrische interface leest en verwerkt nauwkeurig de elektrische activiteit van het mycelium terwijl het reageert op de omgeving eromheen.
Schimmels, die graag in donkere gebieden groeien, zijn bijzonder gevoelig voor blootstelling aan licht. Toen de onderzoekers UV-licht op de schimmel lieten schijnen, veroorzaakte dit een elektrische impuls die snel een signaal naar motoren en actuatoren in twee aangepaste robots stuurde. Naast de zeesterachtige robot hierboven creëerden de onderzoekers ook een andere versie op wielen die later sneller bewoog als de schimmel reageerde op blootstelling aan licht.
Schimmelbiohybriden zouden op een dag de gezondheid van de bodem op afstand kunnen monitoren
De onderzoekers geloven dat hun bevindingen kunnen helpen toekomstige robots te produceren die beter in staat zijn automatisch te reageren op onverwachte veranderingen in de omgeving. In theorie zouden schimmel-biohybride robots op gewassen kunnen worden losgelaten om automatisch veranderingen in de bodemchemie te monitoren. In dat scenario zou de schimmel op natuurlijke wijze reageren op elke vervuilende of potentiële ziekte die de bodem aantast door een elektrisch signaal te sturen. Dat signaal zou dan worden herkend door een robot die zou kunnen ingrijpen.
“Het potentieel voor toekomstige robots zou kunnen zijn om de bodemchemie in rijgewassen waar te nemen en te beslissen wanneer bijvoorbeeld meer kunstmest moet worden toegevoegd, waardoor de gevolgen van de landbouw stroomafwaarts, zoals schadelijke algenbloei, kunnen worden verzacht,” voegde Shepherd eraan toe.
Robotontwerpers hebben zich bij het maken van biohybriden vaak laten inspireren door de natuurlijke wereld. Ingenieurs hebben de cellen van zeeslakken, kwallen en ratten gebruikt om een groot aantal tegelijkertijd fascinerende en dystopische machines te creëren die kunnen kruipen, zwemmen en lopen. Uiteindelijk geloven wetenschappers dat deze overvloed aan dier-machine-mixen in zwermen kan worden ingezet om koraalriffen, bossen of andere ecosystemen op afstand te monitoren. Zodra hun werk is gedaan, kunnen de organische elementen van de robot theoretisch eenvoudigweg biologisch worden afgebroken.