De opkomst van schimmelrobots: robots besturen met signalen van mycelium

De Noodzaak voor Zachte Robots

Wanneer robots buiten gecontroleerde omgevingen zoals fabriekshallen worden ingezet, moeten ze voorzichtig kunnen omgaan met hun omgeving en hun bewegingen nauwkeurig kunnen regelen.

Daarvoor zijn zeer gevoelige sensoren nodig, vooral voor aanraking. Sommige sensoren gebruiken complexe, kwetsbare elektronica, die onder moeilijke omstandigheden jarenlang betrouwbaar moet blijven. Afhankelijk van het ontwerp kunnen ook schaarse materialen of materialen met een belastende winning nodig zijn, wat de kosten en milieubelasting verhoogt.

Biologische systemen voeren vergelijkbare taken voortdurend uit met onder meer suikers en eiwitten als bouwstenen.

De laatste jaren kijken onderzoekers steeds vaker naar de biologie om robots te verbeteren. Een aanpak is om vormen en mechanismen uit de natuur na te bootsen met metaal en kunststof: biomimicry. We bespraken dit in het artikel «Hoe robotica inspiratie kan putten uit de natuur».

Een andere richting is zachte robotica, met actuatoren, bewegende onderdelen en contactoppervlakken van flexibele materialen, soms gemaakt met 3D-printen. We beschreven dit in «Zachte robotica kan profiteren van schuimfluidica», «Handen als die van een mens: nieuwe additieve productie helpt zachte robotica werkelijkheid te worden» en «Magnetische gelcapsules kunnen zowel robotica als geneeskunde vooruithelpen».

Maar wat als we biologische functies niet alleen met kunstmatige materialen nabootsen, maar echt levend weefsel in robots integreren?

Onderzoekers van Cornell University in de Verenigde Staten en de Universiteit van Florence in Italië hebben dit onderzocht. In hun artikel in Science Robotics, «Sensomotorische besturing van robots via elektrofysiologische metingen aan schimmelmycelium», beschrijven ze hoe elektrische signalen van schimmels robots kunnen aansturen. De schimmel levert daarbij besturingssignalen, niet de energie voor de motoren.

Bio-elektrische Signalen van Schimmels

Schimmels zijn complexe organismen. Hun mycelium, het netwerk van microscopische schimmeldraden, kan elektrische signalen voortgeleiden en reageren op prikkels uit de omgeving.

Licht kan bijvoorbeeld de elektrische activiteit van mycelium veranderen. Schimmels reageren ook op chemische prikkels. Daardoor zijn ze interessante kandidaten voor biologische sensoren in robots, hoewel chemische detectie nog geen aangetoonde functie van deze prototypes was.

Een Biorobot Levende Houden

Eerder onderzoek richtte zich al op het integreren van levend weefsel in robots, bijvoorbeeld in het laboratorium gekweekte spieren. Zie «Actuatoren op basis van spieren kunnen het potentieel van robotische oplossingen vergroten».

In de praktijk is dit lastig, omdat veel soorten weefsel moeilijk in een robot in leven te houden zijn. Ze vereisen de juiste temperatuur, vochtigheid en voedingsstoffen en kunnen gevoelig zijn voor besmetting. Gewone robots hebben deze biologische onderhoudsbehoeften niet.

Als spierweefsel door zulke omstandigheden beschadigd raakt, kan de robot snel functies verliezen.

Schimmelmycelium is relatief robuust en kan onder moeilijke omstandigheden groeien. In de natuur moet het zich handhaven tussen andere schimmels, bacteriën en virussen. Dat maakt het aantrekkelijker voor sommige toepassingen dan geïsoleerd spierweefsel, dat normaal door de rest van een organisme wordt ondersteund. Ook mycelium moet echter tegen besmetting worden beschermd.

Mycelium kan reageren op uiteenlopende omgevingsprikkels, waaronder licht en chemische en biologische signalen.

Deze gevoeligheid, gecombineerd met meetbare elektrische activiteit, maakt mycelium een veelbelovende biologische sensor. Elektronica kan de signalen verwerken en gebruiken om een robot te besturen. Dat maakt het nog geen perfecte of onderhoudsvrije sensor.

Hoe Schimmelrobots Werken

De onderzoekers lieten mycelium groeien in een interface met de elektronica van de robot. Het systeem registreert de elektrische activiteit, herkent ritmische pieken en zet deze om in digitale besturingssignalen voor de actuatoren.

De ontwikkelde interface onderdrukt trillingen en elektromagnetische interferentie die de metingen zouden kunnen verstoren.

Dit is een belangrijke stap voor biohybride robots: stabiele elektrofysiologische metingen worden mogelijk terwijl een robot vrij beweegt.

Zo ontstond een biohybride machine die op lichtprikkels reageert. De onderzoekers willen in de toekomst ook chemische prikkels gebruiken.

Een mogelijke toekomstige toepassing is een robot die de chemische samenstelling van landbouwgrond meet en helpt bepalen wanneer extra mest nodig is. Dat zou aansluiten bij de ontwikkelingen die we bespraken in «Beleggers opgelet: robotica neemt steeds meer landbouwwerk over».

Een andere mogelijke onderzoekstoepassing is het detecteren van ziekteverwekkers met mycelium; dit was nog niet met deze robots aangetoond.

Een Multidisciplinair Veld

Omdat dit een jong onderzoeksgebied is, met weinig gestandaardiseerde procedures of producten, kan de ontwikkeling van zulke robots ingewikkelder zijn dan die van traditionele systemen.

«Je hebt kennis nodig van werktuigbouwkunde, elektronica, enige mycologie, enige neurobiologie en een vorm van signaalverwerking. Al deze vakgebieden komen samen om zo’n systeem te bouwen.»

Anand Mishra – onderzoeker in het Organic Robotics Lab onder leiding van Rob Shepherd.

Voor dit onderzoek werkte Anand Mishra samen met Bruce Johnson, senior onderzoeker in neurobiologie en gedrag, om de elektrische signalen in het myceliummembraan te leren registreren. Kathie Hodge, universitair hoofddocent in plantenziektekunde en plant-microbebiologie, hielp hem schone myceliumculturen te kweken. Besmetting is namelijk een belangrijk probleem wanneer elektroden in schimmels worden geplaatst, ook al is mycelium relatief robuust.

Eerste Prototypes

Er werden twee biohybride robots gebouwd: een zachte robot in de vorm van een spin en een robot op wielen.

Bron: Cornell University

De robots liepen of rolden als reactie op de natuurlijke elektrische pieken in het mycelium. Bij blootstelling aan ultraviolet licht veranderden hun bewegingspatronen. In een derde experiment konden de onderzoekers het oorspronkelijke myceliumsignaal volledig overrulen.

Investeren in Bio- en Zachte Robotica

Zachte en biohybride robots zouden een groter aandeel in de roboticasector kunnen krijgen naarmate robots vaker buiten fabriekshallen worden ingezet, bijvoorbeeld in ziekenhuizen, magazijnen en boomgaarden.

Via verschillende brokers kunt u beleggen in roboticaondernemingen. Op securities.io vindt u onze overzichten van brokers in de Verenigde Staten, Canada, Australië, het Verenigd Koninkrijk en andere landen.

Wie niet zelf afzonderlijke roboticaondernemingen wil selecteren, kan ook robotica-ETF’s onderzoeken, zoals GlobalX Robotics & Artificial Intelligence ETF (BOTZ), iShares Automation & Robotics UCITS ETF (RBOT) en Global Robotics & Automation Index ETF (ROBO), of ons artikel «5 ETF’s voor robotica en kunstmatige intelligentie (AI) om te onderzoeken» raadplegen. Zulke fondsen bieden spreiding binnen een bredere sector, maar zijn niet specifiek gericht op schimmelrobots en blijven beleggingsrisico’s dragen.

U kunt ook ons artikel «10 roboticaondernemingen om te onderzoeken» bekijken.

Robotica Bedrijven

1. Soft Robotics

Soft Robotics was een niet-beursgenoteerde onderneming. ABB Technology Ventures was investeerder en partner; ABB beschreef de samenwerking in 2018. Daarbij werden zachte grijpers gecombineerd met industriële robots. In augustus 2024 verkocht Soft Robotics zijn grijperactiviteiten aan de Schmalz Group en ging het verder als Oxipital AI, met de nadruk op AI en machinevisie.

Soft Robotics ontwikkelde mGripAI, een combinatie van zachte grijpers, 3D-machinevisie en AI voor voedselverwerking. De grijpers konden worden gecombineerd met robots zoals ABB’s IRB360 FlexPicker; de FlexPicker is de robot, niet de zachte grijper zelf.

Bron: Soft Robotics

Schuimfluidica zou mogelijk nieuwe mogelijkheden bieden voor dit soort zachte grijpsystemen. Dat is een onderzoeksrichting, geen hier aangetoonde productfunctie.

In deze video ziet u mGripAI in actie.

Zachte actuatoren en grijpers worden vooral toegepast in industriële processen, waaronder voedselverwerking.

Verdere ontwikkelingen in AI, machinevisie, batterijen en zachte robotica kunnen robots geschikter maken voor ondersteuning in de zorg, winkels en schoonmaak. Hoeveel taken zij kunnen overnemen, hangt af van veiligheid, betrouwbaarheid en kosten.

Myceliumsensoren zouden in de toekomst mogelijk kunnen helpen om schadelijke stoffen of signalen van voedselbederf te detecteren tijdens het hanteren van producten. Een combinatie met een grijpsysteem zoals de FlexPicker is hier een denkbare toepassing, geen aangetoond product.

2. Boston Dynamics

Spot van Boston Dynamics lijkt op een gele hond zonder kop en kan hellingen en trappen nemen. Het basismodel werd in 2020 aangeboden voor 74.500 Amerikaanse dollar. De robot kan onder meer worden gebruikt voor inspecties in fabrieken, op bouwplaatsen en in gevaarlijke omgevingen.

Met een laadstation kan Spot zichzelf opladen en herhaalde inspectierondes uitvoeren, terwijl hij obstakels ontwijkt. Dit betekent niet dat hij zonder laadpauzes, onderhoud of menselijk toezicht onbeperkt doorwerkt. De fabrikant beschrijft uiteenlopende industriële toepassingen van Spot.

Spot wordt ingezet in onder meer productie, energie, grondstoffenwinning, bouw, onderwijs, onderzoek en bij overheidsorganisaties.

Chemische of lichtsensoren op basis van mycelium zouden mogelijk een aanvulling kunnen vormen op zo’n mobiel platform.

Toen Hyundai Motor Group in juni 2021 de overname van Boston Dynamics afrondde, verkreeg de groep een belang van 80 procent. Een dochteronderneming van SoftBank behield de overige 20 procent.

Boston Dynamics verwierf daarnaast online bekendheid met de ontwikkeling van zijn humanoïde robot Atlas.

Bron: Boston Dynamics

Hyundai Motor Group is een Zuid-Koreaans industrieel concern, een structuur die vaak wordt aangeduid als chaebol. De groep investeert onder meer in voertuigtechnologie, automatisering en robotica.

Automatisering kan ook een rol spelen bij de gevolgen van de demografische krimp in Zuid-Korea, waar het vruchtbaarheidscijfer in 2022 0,78 kind per vrouw bedroeg. Robots kunnen sommige personeelstekorten helpen opvangen, maar vormen geen volledige oplossing voor de gevolgen van bevolkingsveroudering en krimp.

Een afzonderlijk voorbeeld van industriële automatisering komt van Hyundai Elevator, dat tot Hyundai Group behoort, niet tot Hyundai Motor Group. Voor zijn nieuwe Chungju-fabriek meldde het bedrijf in 2022 een verwachte automatiseringsgraad van 78% en een stijging van de productiviteit per persoon met 38%. Die cijfers betreffen deze fabriek en zijn geen algemene voorspelling voor Boston Dynamics of de roboticasector.