Roboter-Rochen schwimmt dank lichtaktiver Muskelzellen

Cambridge (USA) - Schon heute schwirren Schwärme von Roboterfliegen durch die Labore und künstliche Fische tauchen durch Wasserbecken. Angetrieben werden sie von winzigen Motoren und speziellen Kunststoffen, die sich durch Lichtpulse oder elektrische Spannungen in Bewegung versetzen lassen. Mit einer Kultur aus lebenden Muskelzellen verfolgt nun eine Arbeitsgruppe koreanischer und amerikanischer Forscher einen völlig neuen Ansatz. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie über einen kleinen Roboter-Rochen, in dem eine Kultur aus lebenden Muskelzellen die Aufgabe des Antriebs übernahm. Dieser biomimetische Prototyp ließ sich sogar kontrolliert mit blauen Lichtsignalen steuern.

„Für unseren Biohybrid nutzten wir das Wissen aus vielen Bereichen: Genetik, Materialforschung und Hydrodynamik“, sagt Kevin Kit Parker von der Harvard University in Cambridge. Für die Entwicklung des Roboter-Rochens arbeitete er daher mit Biologen, Physikern und Ingenieuren zusammen. Diese interdisziplinäre Gruppe konzipierte den kleinen, nur knapp drei Zentimeter langen Roboter-Rochen aus zwei Schichten aus flexiblen Kunststoffen. Diese Struktur verstärkten sie mit einem Skelett aus sehr dünnen Golddrähten, das sie zwischen den Kunststoffschichten einlagerten. Auf der Oberseite des Roboter-Rochens deponierten sie als Antrieb etwa 200.000 Herzmuskelzellen, die sie aus einer Rattenzellkultur entnahmen.

Die Herzmuskelzellen waren genetisch so verändert, dass sie auf blaues Licht reagierten und sich zusammen zogen. Ohne Licht entspannten sie sich wieder. Nun setzten die Forscher den Roboter-Rochen in eine Zuckerlösung, die als Schwimmmedium und Nährstoffquelle für die Zellen diente. Mit blauen Lichtsignale angeregt ließen sich die Muskelzellen kontrolliert aktivieren. Abhängig von Intensität und Ausrichtung der Lichtpulse konnten die Flügel des Roboter-Rochens in eine wellenförmige Bewegung versetzt werden. Mit bis zu drei Flügelschlägen pro Sekunde legte der Rochen etwa drei Millimeter pro Sekunde in eine kontrollierbare Richtung zurück. Sogar nach sechs Tagen funktionierte dieser biohybride Roboter und erreichte noch 80 Prozent seiner maximalen Geschwindigkeit.

Mit diesem Roboter-Rochen belegten Parker und Kollegen, dass sich biohybride Systeme mit lebenden Zellen kontrolliert über Lichtpulse antreiben ließen. Von diesen Experimenten erwarten die Forscher nicht nur neue Impulse für die Entwicklung kleiner Roboter. Auch Biologen und Mediziner könnten von den Ergebnissen bei der Erforschung von künstlichem Gewebe oder gar von im Labor gezüchteten Herzmuskeln profitieren.