Nanobots lernen vom Einzeller, wie man ohne Gehirn schwimmen kann
Schwimmen ohne Gehirn? Simulationen zeigen: Dezentrale Steuerung reicht für gezielte Bewegung – auch bei künstlichen Systemen.
Winzige Lebewesen werden am Computer als Kette von Massepunkten modelliert, die sich relativ zueinander bewegen können. Eine solche Kette kann sich effizient bewegen, auch ohne komplexe Steuereinheit.
Foto: TU Wien
Bakterien, Amöben oder bestimmte Blutkörperchen besitzen kein zentrales Nervensystem. Dennoch bewegen sie sich gezielt durch Flüssigkeiten. Die Bewegungen wirken oft erstaunlich koordiniert – fast so, als ob ein unsichtbares Steuersystem am Werk wäre. Aber wie funktioniert das überhaupt?
Ein Forschungsteam der TU Wien, der Universität Wien und der Tufts University in den USA ging dieser Frage nach. In Computersimulationen zeigten sie, dass einfache dezentrale Regeln ausreichen, damit sich Mikroorganismen gezielt fortbewegen. Ein Gehirn braucht es dafür nicht.
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Bewegung durch einfachste Strukturen
„Einfache Mikroorganismen kann man sich aus mehreren Teilen zusammengesetzt vorstellen, ein bisschen wie eine Perlenkette“, erklärt Benedikt Hartl von der TU Wien und vom Allen Discovery Center an der Tufts University. Jeder dieser Teile kann sich relativ zu den anderen bewegen.
In Systemen mit einem zentralen Steuerungsmechanismus, etwa einem Gehirn, lassen sich solche Bewegungsabläufe leicht erklären. Dort werden gezielte Signale an die einzelnen Segmente gesendet, um eine koordinierte Bewegung auszulösen.
Doch bei Einzellern fehlt diese Zentrale. Es gibt weder Nervenzellen noch ein übergeordnetes Kommandozentrum. Deshalb stellte sich das Team die Frage: Reicht es aus, wenn sich jedes Segment nach einer einfachen Regel verhält, um daraus ein komplexes Bewegungsmuster entstehen zu lassen?
Simulation statt Zellkultur
Die Antwort suchten die Forschenden in virtuellen Experimenten. Sie entwickelten ein Computermodell, das einen Einzeller als Kette miteinander verbundener Kügelchen darstellt. Jedes dieser Kügelchen konnte eine Kraft nach links oder rechts ausüben – allerdings nur auf Basis der Information über seine direkten Nachbarn.
Ein zentrales Wissen über die gesamte Struktur oder weiter entfernte Elemente existierte nicht. Ziel war es, eine lokale Regel zu finden, nach der sich jedes Kügelchen verhält, sodass sich die gesamte Kette effizient durch die Flüssigkeit bewegt.
Einfache Intelligenz im Modell
Um dieses Ziel zu erreichen, nutzte das Forschungsteam eine sehr reduzierte Form künstlicher Intelligenz. „Wir haben den virtuellen Teilchen ein minimales neuronales Netz zugewiesen – mit lediglich 20 bis 50 Parametern“, erklärt Hartl. Obwohl dieser Begriff an Gehirnfunktionen erinnert, ist er in diesem Fall nur ein technisches Hilfsmittel. In echten Zellen könnte eine solche Steuerung auch über physikalisch-chemische Reaktionen ablaufen.
Die simulierten Mikroorganismen testeten im Anschluss verschiedene Regelwerke in einer viskosen Flüssigkeit. Dabei wurde jede Variante auf ihre Effizienz bei der Fortbewegung geprüft.
Dezentrale Steuerung reicht aus
Das Ergebnis war eindeutig. „Tatsächlich konnten wir zeigen: Dieser extrem simple Ansatz genügt, um ein sehr robustes Schwimmverhalten hervorzubringen“, so Hartl. Die Bewegung der virtuellen Mikroorganismen war effektiv, obwohl jede Einheit nur eine lokale Regel befolgte.
Die Erkenntnis zeigt, dass auch ohne zentrale Steuerung komplexe, zielgerichtete Bewegungen entstehen können. Dieses Verhalten ist nicht nur biologisch relevant – es könnte auch technische Anwendungen ermöglichen.
Potenzial für medizinische und technische Anwendungen
Andreas Zöttl von der Universität Wien sieht darin großes Potenzial: „Denkbar wäre etwa, Nanobots zu bauen, die aktiv im Wasser nach Ölverschmutzungen suchen und helfen, sie zu entfernen. Oder sogar medizinische Nanobots, die sich autonom im Körper an ganz bestimmte Stellen bewegen, um dort gezielt ein Medikament freizusetzen.“
Solche künstlichen Systeme könnten – inspiriert von der Natur – mit einer simplen internen Logik ausgestattet werden. Eine zentrale Recheneinheit wäre nicht nötig. Stattdessen genügten dezentrale Steuerungsmechanismen auf Basis einfacher physikalischer Regeln.
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