Aufstieg der Pilz‑Roboter: Pilz‑betriebene Roboter sind jetzt da

Der Bedarf an sanften Robotern

Bei der Herstellung von Robotersystemen in kontrollierten Umgebungen wie Fabrikböden müssen sie eine „weiche“ Berührung haben, mit präziser Kontrolle über ihre Bewegung.

Dies erfordert sehr empfindliche Sensoren, insbesondere Berührungssensoren. Das ist oft nur mit sehr komplexen und zerbrechlichen elektronischen Bauteilen möglich, die über Jahre hinweg in schwierigen Umgebungen zuverlässig bleiben müssen. Außerdem werden häufig seltene oder umweltschädliche Metalle wie Seltene Erden verwendet, was die Kosten solcher Roboter erhöht.

Gleichzeitig erledigen biologische Systeme das ständig, wobei sie nur Grundkomponenten wie Zucker und Proteine nutzen.

In den letzten Jahren hat sich ein wachsender Trend entwickelt, die Biologie zu nutzen, um Roboter zu verbessern. Ein Teil davon beinhaltet das Nachahmen von Metall‑ und Kunststoffdesigns aus der Natur, eine Methode, die als Bio‑Mimikry bezeichnet wird. Wir haben das in Artikeln wie “How Robotics Can Take a Cue From Nature” untersucht.

Ein weiterer Trend ist die Soft‑Robotics, bei der Aktuatoren, bewegliche und kontaktierende Teile aus flexiblen Materialien hergestellt werden, manchmal 3D‑gedruckt, wie wir in “Soft‑Robotics to Benefit from Foam Fluidics“, “Hands Like a Human: New Additive Manufacturing Helps Soft Robotics Go Real” und “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine” beschrieben haben.

Aber was, wenn wir anstatt biologische Fähigkeiten mit künstlichem Material zu imitieren, echte biologische Gewebe verwenden und sie in die Robotersysteme integrieren?

Dies haben Forscher der Cornell University (USA) und der Universität Florenz (Italien) erreicht. In einem in Science Robotics veröffentlichten Papier mit dem Titel “Sensorimotor control of robots mediated by electrophysiological measurements of fungal mycelia” beschreiben sie, wie sie Pilze nutzten, um robotikbasierte, biologische Sensoren zu erstellen.

Fungale bioelektrische Signale

Das mag für viele überraschend sein, aber Pilze sind tatsächlich extrem komplexe Organismen. Ihr Myzel (die unsichtbaren mikroskopischen Filamente des Pilzes) kann elektrische Signale übertragen und erzeugt sie als Reaktion auf Reize.

Zum Beispiel kann Licht solche elektrischen Entladungen im Myzel auslösen, und chemische Signale können das ebenfalls tun. Daher ist es ein guter Kandidat für die Erstellung von Biosensoren, die in künstlichen Maschinen wie Robotern verwendet werden können.

Einen Bioroboter am Leben erhalten

Frühere Forschungen haben bereits versucht, biologische Gewebe in Roboter zu integrieren, zum Beispiel im Labor gezüchtete Muskeln (siehe “Muscle‑Based Actuators Could Maximize Potential of Robotic Solutions“).

Das ist in der Praxis jedoch etwas knifflig, da die meisten Gewebe schwer am Leben zu erhalten sind, wenn sie in einen Roboterrahmen eingebaut werden. Sie benötigen die richtige Temperatur, Feuchtigkeit und Nährstoffversorgung und können anfällig für Kontaminationen/Infektionen sein – Probleme, die bei „normalen“ Robotern nicht auftreten.

Und wenn das Muskelgewebe aus einem dieser Gründe ungesund wird, verliert der Roboter schnell Funktionen.

Im Gegensatz dazu sind Pilz‑Myzelien besonders robust, da sie sich in Außenumgebungen selbst behaupten und gegen andere Pilze, Schimmel, Bakterien und Viren ohne zusätzlichen Schutz konkurrieren können (im Gegensatz zu Muskelgeweben, die auf das Immunsystem des Organismus angewiesen sind).

Myzelien sind zudem besonders geschickt darin, ihre äußere Umgebung über Licht, Druck/Berührung und chemische Sensorik wahrzunehmen.

In Kombination mit ihrer Neigung, bioelektrische Signale als Reaktion auf Reize zu erzeugen, ergeben sie perfekte Biosensoren, deren Signale von einem elektronischen Chip gelesen und „decodiert“ werden können, während sie gleichzeitig robust genug sind, um in einem Roboter zu überleben.

Wie Pilz‑Roboter funktionieren

Die Forscher haben das Myzel in die Elektronik des Roboters eingepflanzt und anschließend den Algorithmus des Roboters trainiert, das Signal des Myzels korrekt als Reaktion auf Reize zu interpretieren.

Das von den Forschern entwickelte System kann Vibrationen und elektromagnetische Störungen ausblenden, die das Myzel‑Signal verfälschen könnten.

Dies war ein neuer Schritt im Bau von Biorobotern und ein wichtiger, da er stabile, langfristige elektrophysiologische Aufzeichnungen während ungebundener, mobiler Operationen ermöglicht.

Damit entsteht eine bio‑hybride Maschine, die auf Lichtsignale reagieren kann. In Zukunft planen sie, sie auch auf chemische Signale reagieren zu lassen.

Das eröffnet interessante Möglichkeiten, zum Beispiel einen Roboter, der die Bodenkemie in Reihenfrüchten messen und entscheiden kann, ob und wie viel Dünger benötigt wird. In diesem Beispiel würde das einen weiteren Schritt im Fortschritt der Robotik in der Landwirtschaft darstellen, wie wir in “Investors Should Take Note: Robotics Is Taking Over Farming” diskutiert haben.

Ähnlich könnten wir das Myzel zur Erkennung von Pathogenen einsetzen.

Ein multidisziplinäres Feld

Da es ein neues Wissenschaftsfeld ist, das noch keine stark standardisierten Verfahren oder Produkte hat, kann diese Art von Roboter etwas komplexer zu entwickeln sein als herkömmliche.

„Sie müssen einen Hintergrund in Maschinenbau, Elektronik, etwas Mykologie, etwas Neurobiologie und irgendeiner Signalverarbeitung haben. All diese Felder kommen zusammen, um dieses System zu bauen.“

Anand Mishra - Forschungsmitarbeiter im Organic Robotics Lab geleitet von Rob Shepherd.

In dieser Forschung arbeitete Anand Mishra mit Bruce Johnson, einem leitenden Forschungsmitarbeiter für Neurobiologie und Verhalten, zusammen, um das elektrische Membransignal des Myzels aufzuzeichnen. Und mit Kathie Hodge, außerordentlicher Professor für Pflanzen‑Mikro‑Biologie, um saubere Myzelkulturen zu züchten und Kontaminationen beim Einsetzen von Elektroden zu vermeiden, da Myzelien trotz ihrer Robustheit gegenüber den meisten anderen bio‑robotischen Optionen mit Kontaminationen kämpfen können.

Erste Prototypen

Zwei bio‑hybride Roboter wurden gebaut: ein weicher Roboter in Spinnenform und ein Rad‑Bot.

Quelle: Cornell University

Jeder konnte durch Gehen und Rollen auf natürliche, kontinuierliche Spitzen im Myzel‑Signal reagieren. Sie reagierten zudem auf Umweltveränderungen, wie ultraviolettes Licht, das die Bewegung des Roboters veränderte.

Investitionen in Bio‑ und Soft‑Robotics

Soft‑ und Bio‑Roboter werden voraussichtlich ein wachsender Teil des expandierenden Robotik‑Marktes sein, da Roboter zunehmend die Fabrikböden verlassen, um in Krankenhäusern Patienten zu betreuen, Waren in Lagerhäusern zu bewegen oder Früchte in Feldern und Obstgärten zu ernten.

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Wenn Sie nicht einzelne Robotik‑Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch in Robotik‑ETFs wie den GlobalX Robotics & Artificial Intelligence ETF (BOTZ), den iShares Automation & Robotics UCITS ETF (RBOT) oder den Global Robotics & Automation Index ETF (ROBO) investieren, oder weitere Optionen in unserem Artikel “5 Best Robotics & Artificial Intelligence (AI) ETFs to Invest In” nachlesen, die eine breitere Diversifizierung ermöglichen, um vom wachsenden Robotik‑Sektor zu profitieren.

Oder Sie können auch unseren Artikel über die “10 Best Robotics Companies” lesen.

Robotik‑Unternehmen

1. Soft Robotics

Dieses Unternehmen ist privat gelistet und im Jahr 2018 ging die ABB Technological Ventures eine Partnerschaft mit Soft Robotics ein, um die Entwicklung von mikrofluidischer Berechnung und weichen Greifern für Roboter zu beschleunigen.

Soft Robotics konzentriert sich auf die Entwicklung von mGripAI, einem Roboter mit weichem Griff für die Lebensmittelverarbeitungsindustrie, kombiniert mit einer vollständigen 3D‑Vision‑ und KI‑Lösung und unter Nutzung des IRB360 FlexPicker Greifsystems von ABB.

Quelle: Soft Robotics

Der Ansatz des Unternehmens könnte potenziell auch Schaum‑Fluidik integrieren, da es Erfahrung in der Anwendung mikrofluidischer Technologie in realen Anwendungen hat.

Sie können mGripAI auch in Aktion in diesem Video sehen.

Derzeit liegt die Hauptanwendung weicher Aktuatoren und Greifer in industriellen Prozessen, insbesondere in der Lebensmittelindustrie.

Auf lange Sicht sollten Fortschritte in KI, maschinellem Sehen, Batterietechnologie und Soft‑Robotics die Schaffung von Robotern ermöglichen, die Krankenschwestern, Ladenbesitzer, Reinigungskräfte und andere Aufgaben unterstützen können, die derzeit fast zu 100 % auf menschliche Arbeit angewiesen sind.

In jedem Fall können wir leicht erkennen, wie nützlich myzelbasierte Chemiesensoren sein könnten, um schädliche Verbindungen, verdorbene Lebensmittel oder andere chemische Signale zu erkennen, während sie mit dem FlexPicker‑Greifsystem berührt werden.

2. Boston Dynamics

Entwickelt wie ein kopfloser gelber Hund, Spot, von Boston Dynamics, kann er Hügel hinaufklettern und Treppen bewältigen. Das Gerät kostete US$74.500. Es diente vielen Zwecken, vom Inspektieren von Fabriken, Baustellen und gefährlichen Umgebungen bis hin zum Treppensteigen und -navigieren.

Spot kann jetzt 24 × 7 ohne Eingriffe betrieben werden. Er kann sich autonom aufladen und dynamisch um neue Hindernisse planen. Laut offiziellen Zahlen haben Spot‑Roboter bisher mehr als 1.000 Kunden erreicht.

Spot richtet sich an verschiedene Branchen, darunter Fertigung, Energie‑ und Rohstoffwirtschaft, Bauwesen, Wissenschaft und Bildung sowie den öffentlichen Sektor.

Auf Basis von Myzel könnten chemische und/oder Lichtsensoren eine großartige Ergänzung für eine solch ultra‑mobile Plattform darstellen.

Nachdem Hyundai seinen Deal abgeschlossen hatte, um Boston Dynamics zu übernehmen, besaß es einen 80‑Prozent‑Anteil am Unternehmen. SoftBank hielt über eine seiner Tochtergesellschaften die restlichen 20 %.

Boston Dynamics erlangte zudem massive Internet‑Berühmtheit durch die radikalen Fortschritte, die mit seinem humanoiden Roboter Atlas erzielt wurden.

Quelle: Boston Dynamics

Hyundai war schon immer zuerst ein Technologieunternehmen, gemischt mit einer typischen südkoreanischen Struktur von Industriekonglomeraten (Chaebols).

Das macht es zu einem idealen Kandidaten, um Automatisierung und Robotik zu übernehmen, besonders im Kontext des demografischen Kollapses Südkoreas (weniger als 0,78 Geburten pro Frau). Dieser Bevölkerungsrückgang kann nur bewältigt werden, indem zahlreiche derzeit von Menschen erledigte Aufgaben automatisiert werden, und multitasking‑vielseitige Roboter wie die von Boston Dynamics könnten der Schlüssel dazu sein.

Dies entspricht auch Hyundais Zukunftsvision und Unternehmensstrategie, mit Prognosen für „die Automatisierungsrate soll um 78 % steigen und die Produktivität pro Person um 38 %“.