04/08/2021
Door Ad Spijkers
Canadese onderzoekers maakten van een levend wormpje een computergestuurde microrobot.
Onderzoekers van de University of Toronto hebben de definitie van de term 'robot' opgerekt. Hun nieuwste creatie wordt bestuurd door een computer, maar heeft geen mechanische onderdelen. In plaats daarvan is het fysieke lichaam van de robot een kleine levende worm, Caenorhabditis elegans, ook bekend als C. elegans. Dit rondwormpje wordt ongeveer 1 mm lang en leeft in de bodem.
In wezen hebben de onderzoekers de neurale controlepatronen van het organisme vervangen door een eigen besturing met behulp van op licht gebaseerde stimulatie. Hierdoor kunnen ze in gesloten kringloop een levend organisme aansturen, wat een nieuwe benadering is in de robotica.
C. elegans
Deze wormen worden in biologiestudies vaak gebruikt als modelorganisme, door hun korte levensduur (gemiddeld tussen 18 en 20 dagen), anatomische eenvoud en genetische gelijkenis met complexere organismen. In een tien jaar geleden uitgevoerd Duits-Amerikaans onderzoek werd optogenetica gebruikt om zenuw- en spiercellen binnen organismen zodanig te wijzigen dat ze een lichtgevoelig eiwit (rodopsine) tot expressie brengen.
Omdat de worm transparant is, zorgt het schijnen van licht op de aangetaste spiercellen ervoor dat ze samentrekken en het lichaam van de worm buigen. De Canadese onderzoekers wilden de natuurlijke manier van voortbewegen van de worm nabootsen als ze het patroon van die lichtsimulatie zouden kunnen coördineren.
C. elegans wormen bewegen als slangen, waarbij ze hun lichaam naar links en rechts draaien in een S-vormig patroon, vergelijkbaar met een sinusgolf. Dit patroon is wiskundig gezien relatief eenvoudig, maar het bleek moeilijk om het op een gecontroleerde manier na te bootsen. De onderzoekers in Toronto creëerden een genetisch gemodificeerde worm die in sommige opzichten het omgekeerde was van de worm in de oorspronkelijke video. In plaats van zijn spieren te buigen bij blootstelling aan licht, gaf deze worm licht af wanneer zijn spieren werden geactiveerd.
Het uitgezonden licht bleek enigszins uit fase met de beweging van het dier. De spieren vuren iets eerder dan de eigenlijke beweging. Om nauwkeuriger te kunnen controleren waar de worm heen ging, moesten de onderzoekers in hun lichtstimuleringspatroon rekening houden met dit faseverschil.
RoboWorm
Een optogenetisch gemodificeerde C. elegans worm werd onderworpen aan een patroon van lichtsimulatie, gecontroleerd door verfijnde algoritmen. Dit activeert de spieren van de worm in de juiste volgorde om een slangachtig bewegingspatroon na te bootsen. Het onderzoeksteam gebruikte microscoopbeelden om de plaats en bewegingen van de worm op een bepaald moment nauwkeurig te meten.
De terugkoppeling namen ze op in hun besluitvormingsproces om de worm nauwkeurig naar het volgende gewenste punt te sturen. Met behulp van dit systeem kunnen ze de worm voorwaarts bewegen, naar links en rechts laten draaien, een U-bocht laten maken en zelfs door een eenvoudig doolhof navigeren.
Veel groepen over de hele wereld hebben microrobots ontwikkeld die kunnen kruipen, zwemmen of zelfs kleine objecten kunnen grijpen. De meeste worden bestuurd met behulp van een magnetisch of akoestisch veld. Het gebruik van licht zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen, misschien zelfs als medische robots die in het menselijk lichaam kunnen worden ingezet. Maar de Canadezen benadrukken dat het een 'proof of concept' is. RoboWorm is nog niet echt een robot, maar dat zou het wel ooit kunnen worden.
Foto: University of Toronto, Xianke Dong, Zhaoyi Xu)