Intelligente Mikroroboter könnten eines Tages in der Medizin zum Einsatz kommen

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Was wäre nötig, um einen wirklich intelligenten Mikrobot zu entwickeln, der unabhängig arbeiten kann? Ein Robotiker beschreibt die faszinierenden Details und die medizinischen Aufgaben, die diese winzigen Maschinen für uns erledigen könnten.

In nicht allzu ferner Zukunft könnten die Chirurgen, die unsere Krankheiten behandeln, winzige Maschinen sein, die durch unseren Körper schwimmen, Krebstumore aufspüren oder Blutgerinnsel selbst aus den kleinsten Arterien entfernen. Wenn das nach Science-Fiction klingt, liegen Sie nicht falsch: Filme mögen Fantastische Reise und Innenraum haben lange mit dem Konzept gespielt, Maschinen auf die Größe einer einzelnen Zelle zu verkleinern – doch in den letzten Jahren haben Fortschritte in der Robotik und Materialwissenschaft die Idee immer näher an die Realität gebracht.

Der Robotiker Bradley Nelson von der ETH Zürich hat seine Karriere damit verbracht, mikroskopische Geräte wie diese herzustellen. Er sagt, dass Ingenieure zwar bereits Roboter gebaut haben, die nicht größer als eine Mikrobe sind, die sich bewegen und ihre Umgebung wahrnehmen können, diese aber immer noch von Menschen ferngesteuert werden müssen. Die nächste große Herausforderung, sagt er, wird darin bestehen, diese Maschinen mit irgendeiner Form von Intelligenz auszustatten, damit sie ihre Arbeit unabhängig erledigen können, ohne menschliche Bediener vollständig aus der Gleichung herauszunehmen.

Doch was genau wäre nötig, um einen wirklich intelligenten Mikroroboter zu entwickeln? Und wie könnte es in der realen Welt eingesetzt werden? Diese Fragen stellen sich die Autoren eines Artikels aus dem Jahr 2022 in der Jahresrückblick auf Steuerung, Robotik und autonome Systeme. Nelson, ein Co-Autor des Artikels, sprach mit Wissenswertes Magazin warum die Aussicht so schwierig ist und wie die Zukunft kleiner intelligenter Maschinen aussehen könnte. Dieses Interview wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

Wie würden Sie einen Mikroroboter definieren? Wie klein reden wir?

Im Allgemeinen ist ein Roboter jeder Größe ein Gerät, das in einer unsicheren Umgebung arbeitet; es passt sich seiner Umgebung an und kann sich bewegen, um ein Ziel zu erreichen. Die klassische Art, darüber nachzudenken, ist, dass es drei Säulen der Robotik gibt: Erstens gibt es die Wahrnehmung – ein Roboter muss irgendwie Informationen über die Welt um ihn herum sammeln. Zweitens gibt es Bewegung: Es muss eine Art Betätigungsmechanismus haben, damit es mit dieser Welt interagieren kann. Und drittens gibt es Berechnungen: Es muss herausfinden, welche Maßnahmen es zu einem bestimmten Zeitpunkt ergreifen wird.

Bei meiner Arbeit versuche ich normalerweise, diese Elemente in Maschinen einzubauen, die etwa die Größe einer einzelnen Zelle mit einer Breite von einigen hundert Mikrometern haben. Kleinere Dinge interessieren mich weniger. Sobald Sie unter einen Mikrometer gehen, ändern sich die Arten der Physik, die die Umgebung dominieren. Sie müssen darüber nachdenken, wie sich Dinge wie die Brownsche Bewegung, die zufällige Bewegung von Atomen und Molekülen, auf Ihr Gerät auswirken. Das ist die dominierende Interaktion Ihres Roboters mit seiner Umgebung, sodass die Arbeit eher Chemie als Robotik ähnelt.

Was würde „Intelligenz“ für Mikroroboter wie die, die Sie zu bauen versuchen, wirklich bedeuten? Wie viel kann man von einem so kleinen Gerät erwarten?

Nun, das ist eine interessante philosophische Frage bei einem Bier. Es gibt viele Möglichkeiten, es zu definieren, aber wenn ich an etwas denke, das intelligent ist, ist es eine sehr anthropomorphe Sichtweise. Bin ich überrascht von seinem Verhalten und der Art und Weise, wie es sich an seine Umgebung anpasst? Tut es etwas auf eine Weise, die ich fesselnd und interessant finde? Wenn es sich anpasst, würde ich sagen, dass da eine gewisse Intelligenz vorhanden ist.

Betrachten Sie zum Beispiel etwas wie E coli Bakterien. Jeder ihrer Körper ist eine einzelne Zelle, vielleicht ein oder zwei Mikrometer lang. Es hat Chemorezeptoren auf seiner Oberfläche, die Aminosäuren oder andere Nährstoffe um sich herum wahrnehmen können. Es hat einen Kommunikationsweg zurück zu seiner Flagelle, dem rotierenden Anhängsel, mit dem es sich bewegen kann, und es kann ändern, wie es in Ihrem Magen-Darm-Trakt oder wo auch immer es lebt, herumfährt.

Es hat auch eine Art Software: Darin schwebende DNA-Stücke steuern, wie es sich selbst wieder aufbaut oder repariert, um am Leben zu bleiben. In gewisser Weise ist es also der Mikroroboter der Natur: Er hat Sensoren, einen Kommunikationspfad, einen Sensoralgorithmus, eine Steuersoftware, die einen Motor steuert – und er trifft grundlegende Entscheidungen. In der Tat, E coli macht all dies so gut, dass einige Robotiker es als Teil ihrer Geräte nutzen. Sie koppeln ihre Mikroroboter im Wesentlichen an die Mikrobe und lassen sie die gesamte Wahrnehmung und Fortbewegung für sie erledigen.

Lassen Sie sich für Ihre Mikroroboter von Bakterien inspirieren?

Unbedingt. Die Art und Weise, wie sie durch ihre Umgebung navigieren, ist unglaublich. Sie wenden diese brillante Strategie an, an die ich nie gedacht hätte – zuerst bewegen sie sich einfach zufällig herum, aber wenn sie anfangen, etwas Gutes zu spüren, wie eine Aminosäure oder einen anderen Nährstoff, schwimmen sie ein bisschen länger, was dazu neigt Bewegen Sie sie allmählich in diese Richtung. Wir nennen das einen „voreingenommenen Random Walk“. Als Ingenieur fängst du an zu denken: „Oh, das ist gut.“ Sie folgen im Grunde einem chemischen Gradienten.

Man könnte sich vorstellen, winzige Roboter zu bauen, die das Gleiche können: Vielleicht würden sie zum Beispiel Temperaturgradienten oder pH-Gradienten oder die chemische Signatur einer bestimmten Krankheit verfolgen. Also, ja, ich bin sehr von der Natur inspiriert. Es gibt eine unglaublich reiche Palette komplexer „intelligenter“ Verhaltensweisen, die sich in winzigen Organismen entwickelt haben, und wenn ich einen Weg finden kann, einige dieser Verhaltensweisen in Robotern zu replizieren, ist das sehr aufregend.

Welche Hürden gilt es zu überwinden, um solche Roboter zu bauen?

Ach, es gibt viele. Ich arbeite seit 2003 auf dem Gebiet des Versuchs, Mikroroboter zu bauen. Zuerst haben wir nur versucht herauszufinden, wie wir diese Dinger bewegen und wie wir sie steuern können. Dann fingen wir an zu fragen, welche Funktionen werden sie übernehmen? Welche Art von Chemie oder Funktionalität werden Sie den Geräten hinzufügen? Gibt es eine Möglichkeit, ihnen eine Art Autonomie zu geben?

An letzterem arbeiten wir noch. Wir haben begonnen, Polymere und Materialien zu erforschen, die auf irgendeine Weise auf ihre Umgebung reagieren können, indem sie beispielsweise automatisch ihre Form ändern, damit sie durch enge Bereiche passen und ähnliches. Aber die größte Hürde besteht darin, wirklich alle verschiedenen Komponenten zusammenzubringen. Um erfolgreich zu sein, muss ein Mikroroboter seine Umgebung wahrnehmen und darauf reagieren, um eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen.

Angenommen, wir können diesen Punkt erreichen, wie könnten Mikroroboter Ihrer Meinung nach in der realen Welt eingesetzt werden? Wie könnten sie bestehende Technologien verbessern?

Ich denke, die Anwendungen, die wir zuerst sehen werden, sind in der Medizin. Es ist eine logische Weiterentwicklung. Wir verwenden bereits immer kleinere medizinische Geräte und Robotik für die Chirurgie; medizinische Instrumente, die mit weniger Invasivität weiter in Ihren Körper eindringen können als andere Techniken, wie Katheter, die tief in Ihr Gehirn eindringen können, um ein Aneurysma zu behandeln oder ein Blutgerinnsel zu entfernen. In Zukunft werden wir sehen, dass sich diese Technologie ein wenig weiterentwickelt, aber es gibt eine Grenze, wie klein wir diese Geräte machen können.

Der nächste natürliche Schritt wird sein, dass wir Mikroroboter in den Körper einbringen, die in winzige Räume reisen und Krankheiten frühzeitig behandeln können. Stellen Sie sich ein Gerät vor, das in Ihre Lunge eingeführt werden kann, um Krebs zu finden und zu behandeln, bevor er sich ausbreitet. Oder behandeln Sie ein Blutgerinnsel tief in Ihrem Gehirn, das mit vorhandenen Kathetern nicht erreicht werden kann – einfache Mikroroboter könnten möglicherweise zu den blockierten Bereichen navigieren und dabei helfen, sie zu entsperren.

Solche Aufgaben klingen ziemlich komplex. Brauchen Sie eine Art künstliche Intelligenz, um diese Jobs zu erledigen?

Nein, nicht in diesem Moment. Ich meine, im Moment ist es ohnehin nicht möglich, künstliche Intelligenz in einen Mikroroboter zu stecken. Es ist einfach viel zu rechenintensiv für etwas so Kleines. Es wäre sehr cool, wenn wir das könnten, und ich bin mir sicher, dass uns einige Anwendungen dafür einfallen würden, aber es würde den Rahmen meiner Karriere und wahrscheinlich meines Lebens sprengen.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass wir dies möglicherweise nicht tun brauchen etwas so Mächtiges wie künstliche Intelligenz in diesen Fällen. Sie können immer noch einen unglaublich nützlichen Mikroroboter bauen, indem Sie einfache Formen von Intelligenz und autonomer Entscheidungsfindung verwenden. Wenn Sie winzige Geräte haben, die Veränderungen in ihrer Umgebung erkennen und ihr Verhalten als Reaktion darauf ändern können, können sie einige überraschend komplexe Dinge tun. Zum Beispiel bei der Verabreichung einer Chemotherapie: Wenn ein Mikroroboter pH- oder Temperaturgradienten eines Tumors erkennen kann, kann er sich langsam in diese Richtung bewegen und ein hochgiftiges Medikament direkt in das Krebsgewebe freisetzen, aber nicht in den Rest des Körpers.

Geräte wie diese haben möglicherweise nur die Intelligenz einer Mikrobe, könnten aber dennoch unglaublich effektiv für die Erkennung von Krankheiten und die Verabreichung von Medikamenten sein. Als Ingenieur habe ich immer dieses Ziel vor Augen: Wie kann ich eine Maschine am einfachsten für eine bestimmte Aufgabe konstruieren? Es muss nicht Schach spielen können; es muss nur die Arbeit erledigen.

Können Sie sich vorstellen, dass Mikroroboter in naher Zukunft kommerziell eingesetzt werden? Wenn ja, wie weit ist dieses Ziel Ihrer Meinung nach entfernt?

Ja, jeder will den Zeitpunkt dafür wissen! Früher habe ich immer gesagt, wir wären fünf Jahre entfernt. Jetzt sage ich drei Jahre. Es gibt noch viel Ungewissheit, aber der Zeitplan schrumpft. Andere Leute auf diesem Gebiet stellen Elektronik in immer kleineren Maßstäben her, setzen kleine Transistoren und andere Dinge auf Mikroroboter und bauen Schaltkreise direkt in sie ein. Wir nähern uns langsam dem Punkt, an dem wir tatsächlich einige grundlegende Rechenelemente direkt in einen Mikroroboter einbetten können.

Die Frage ist, wie viel Rechenleistung sie letztendlich benötigen werden. Wie viel Onboard-Speicher benötigen sie? Wie viel erwartest du, dass sie lernen? Mit unserer bestehenden Technologie werden Mikroroboter auf absehbare Zeit ziemlich einfach sein.

Dieser Artikel erschien ursprünglich in
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