Die Roboter-Bienen-Replikanten zielen auf die ahnungslose Königin eines Bienenstocks ab. Aber im Gegensatz zu den rebellischen Replikanten im Sci-Fi-Thriller Blade Runner von 1982 sind diese hier, um zu arbeiten.
Durch die Kombination von Miniaturrobotik, künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen sollen die Roboterbienen die Eiablage in der Königin stimulieren, indem sie ihr beispielsweise das richtige Futter zur richtigen Zeit füttern.
Überlebe und gedeihe
„Wir planen, ein ganzes Ökosystem zu beeinflussen, indem wir nur mit einem einzigen Tier, der Königin, interagieren“, sagte Dr. Farshad Arvin, Robotiker und Informatiker an der University of Durham in Großbritannien. „Wenn wir Aktivitäten wie die Eiablage zum richtigen Zeitpunkt durchführen können, erwarten wir gesündere Bruten und aktivere und gesündere Kolonien. Dies wird dann die Bestäubung verbessern.“
Während sich das über der Oberfläche abspielt, sind formverändernde Roboterwurzeln, die sich anpassen und mit echten Pflanzen und Pilzen interagieren können, unter der Erde hart am Werk. Dort bilden Pflanzen und ihre Pilzpartner riesige Netzwerke.
Diese Roboterbienen und -wurzeln werden von zwei Projekten entwickelt. Beide Initiativen untersuchen, wie künstliche Versionen von Lebewesen, die für die Erhaltung von Ökosystemen von zentraler Bedeutung sind, echten Organismen und ihrer Umwelt helfen können, zu überleben und zu gedeihen – und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Nahrung für die Menschen reichlich vorhanden ist.
Dies könnte für die langfristige Zukunft des Planeten von entscheidender Bedeutung sein, insbesondere angesichts der Tatsache, dass viele Arten derzeit aufgrund von Bedrohungen wie Lebensraumverlust, Umweltverschmutzung und Klimawandel mit einem starken Bevölkerungsrückgang konfrontiert sind.
Eine der gefährdeten Arten ist die Honigbiene, eine Schlüsselart für die Insektenbestäubung, die für 75 % der weltweit für die menschliche Ernährung angebauten Nutzpflanzen erforderlich ist.
Fit für eine Königin
Das RoboRoyale-Projekt, das Arvin leitet, kombiniert mikrorobotische, biologische und maschinelle Lerntechnologien, um das Wohlbefinden der Honigbienenkönigin zu fördern.
Ein einzigartiger Aspekt von RoboRoyale ist laut Arvin sein alleiniger Fokus auf die Königin und nicht auf die gesamte Kolonie. Er sagte, die Idee sei, zu demonstrieren, wie die Unterstützung eines einzelnen Schlüsselorganismus die Produktion in der gesamten Umgebung stimulieren und möglicherweise Hunderte von Millionen von Organismen beeinflussen könne.
Das Multi-Roboter-System, das das Team in den kommenden Monaten testen möchte, wird im Laufe der Zeit lernen, wie man die Königin pflegt, um ihre Eiablage und die Produktion von Pheromonen zu optimieren – chemische Duftstoffe, die das Verhalten des Bienenstocks beeinflussen.
Das System wird in Kunstglas-Beobachtungsstöcken in Österreich und der Türkei eingesetzt, wobei die Bienenreplikanten die sogenannten Hofbienen ersetzen sollen, die normalerweise mit der Königin interagieren.
Futter für Bruten
Ein Ziel ist, dass die Roboterbienen die Eiablage potenziell stimulieren können, indem sie die Königin genau zum richtigen Zeitpunkt mit bestimmten proteinreichen Nahrungsmitteln versorgen, um diese Aktivität anzukurbeln. Ein erwarteter Vorteil wiederum ist, dass eine daraus resultierende Zunahme von Bienen und Nahrungsflügen eine stärkere Bestäubung des umgebenden Ökosystems zur Unterstützung des Pflanzenwachstums und der Tiere bedeuten würde.
Das System ermöglicht es, sechs bis acht Roboter-Hofbienen, teilweise mit Mikrokameras ausgestattet, innerhalb eines Beobachtungsstocks durch eine von außen angebrachte Steuerung zu steuern. Das Endziel ist es, die Roboterbienen vollständig autonom zu machen.
Zuvor beobachtete das RoboRoyale-Team Bienenköniginnen in mehreren Bienenstöcken mit hochauflösenden Kameras und Bildanalysesoftware, um mehr Einblick in ihr Verhalten zu erhalten.
Das Team erfasste mehr als 150 Millionen Proben der Flugbahnen der Königinnen im Bienenstock und detaillierte Aufnahmen ihrer sozialen Interaktionen mit anderen Bienen. Jetzt wertet sie die Daten aus.
Sobald das gesamte Robotersystem ausreichend getestet ist, hoffen die RoboRoyale-Forscher, dass es das Verständnis des Potenzials der Bio-Hybrid-Technologie nicht nur bei Bienen, sondern auch bei anderen Organismen fördern wird.
„Es könnte zu einer neuartigen nachhaltigen Technologie führen, die sich positiv auf die umliegenden Ökosysteme auswirkt“, sagte Arvin.
Holz Wide Web
Das andere Projekt, I-Wood, erkundet eine ganz andere Art von sozialem Netzwerk – eines, das sich im Untergrund befindet.
Wissenschaftler des Italian Institute of Technology (IIT) in Genua untersuchen das sogenannte Wood Wide Web. Es besteht aus Pflanzenwurzeln, die durch ein symbiotisches Netzwerk von Pilzen miteinander verbunden sind, die sie mit Nährstoffen versorgen und ihnen helfen, Ressourcen zu teilen und zu kommunizieren.
Um diese Netzwerke besser zu verstehen und Wege zu finden, ihr Wachstum zu stimulieren, entwickelt I-Wood weiche, formveränderliche Roboterwurzeln, die sich anpassen und mit echten Pflanzen und Pilzen interagieren können. Die Idee ist, dass eine Roboter-Pflanzenwurzel einen miniaturisierten 3D-Drucker in ihrer Spitze verwendet, damit sie Schicht für Schicht wachsen und sich verzweigen kann, als Reaktion auf Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und verfügbare Nährstoffe.
„Diese Technologien werden dazu beitragen, das Wissen über die Beziehung zwischen Symbionten und Wirten zu erweitern“, sagte Dr. Barbara Mazzolai, Robotikerin am IIT, die das Projekt leitet.
Mazzolais Team hat ein Gewächshaus, in dem es mit Pilzen geimpfte Reispflanzen anbaut. Bisher haben die Forscher das Wachstum von Wurzeln und Pilzen getrennt untersucht.
Bald planen sie, ihre Ergebnisse zusammenzuführen, um zu sehen, wie, wann und wo die Wechselwirkung zwischen den beiden stattfindet und welche Moleküle daran beteiligt sind.
Die Erkenntnisse können später von den Robotern von I-Wood verwendet werden, um die natürliche Symbiose zwischen Pilzen und Wurzeln so effektiv wie möglich zu gestalten. Das Team hofft, bis Ende dieses Jahres mit dem Experimentieren mit Robotern im Gewächshaus beginnen zu können.
Laut Mazzolai können die Roboterwurzeln so programmiert werden, dass sie sich autonom bewegen, unterstützt durch Sensoren in ihren Spitzen. Ähnlich wie sich echte Wurzeln oder Regenwürmer unter der Erde fortbewegen, suchen auch sie Passagen, die aufgrund von weicherem oder weniger kompaktem Boden leichter zu passieren sind.
Tweaks des Handels
Aber es gibt Herausforderungen bei der Kombination von Robotik und Natur.
Bienen reagieren zum Beispiel empfindlich auf fremde Objekte in ihrem Stock und können diese entfernen oder mit Wachs überziehen. Dies macht es schwierig, Elemente wie Tracking-Tags zu verwenden.
Laut Arvin von RoboRoyale sind die Bienen jedoch akzeptabler geworden, nachdem das Team Elemente der Etiketten wie Beschichtung, Materialien und Geruch optimiert hat.
Trotz dieser Herausforderungen glauben Arvin und Mazzolai, dass Robotik und künstliche Intelligenz langfristig eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung von Ökosystemen und der Umwelt spielen könnten. Für Mazzolai liegt der Reiz in dem Potenzial der Technologien, eine tiefere Analyse wenig verstandener Wechselwirkungen zwischen Pflanzen, Tieren und der Umwelt zu ermöglichen.
Da beispielsweise das unterirdische Netz aus Pflanzenwurzeln und Pilzen als entscheidend für die Aufrechterhaltung gesunder Ökosysteme und die Begrenzung der globalen Erwärmung durch die Bindung von Kohlenstoff gilt, können die Roboterwurzeln des Projekts dazu beitragen, Licht ins Dunkel zu bringen, wie wir diese natürlichen Prozesse schützen und unterstützen können.
„Biomimikry in der Robotik und Technologie wird eine grundlegende Rolle bei der Rettung unseres Planeten spielen“, sagte Mazzolai.
Mehr Informationen:
Robo Royale: cordis.europa.eu/project/id/964492