In wenigen Worten, was studierst du?
Ich bin Maschinenbauingenieur. Typischerweise stellt man sich Maschinenbauingenieure als Menschen vor, die Maschinen oder Geräte bauen, die Materialien wie Metalle oder Keramik oder Kunststoffe verwenden. Ich füge der Werkzeugkiste im Wesentlichen einen weiteren Satz Materialien hinzu und denke darüber nach, ob wir mit dem Bau von Maschinen beginnen können, die biologische Materialien wie lebende Zellen verwenden.
Ein Beispiel für eine biologische Maschine, die ich gebaut habe, ist ein Roboter, der lebende Skelettmuskeln verwendet, um sich zu bewegen und herumzulaufen. Maschinen, die biologische Materialien enthalten, können ziemlich interessante Dinge tun.
Wenn du fällst und deine Haut schneidest, heilst du. Wenn Sie trainieren, werden Sie stärker. Und es stellt sich heraus, dass diese Roboter dasselbe können. Wenn sie trainieren, können sie stärker werden und sich auch von Schaden heilen.
Wofür verwenden Sie diese biohybriden Maschinen?
Vieles, was wir zu erreichen versuchen, besteht darin, herauszufinden, was die Designregeln und -prinzipien des Bauens mit biologischen Materialien sind. Zum Beispiel ist der Bau eines Autos ein komplexer Mechanismus, aber zum größten Teil können die meisten ausgebildeten Maschinenbauingenieure alles oder einen Teil davon erledigen.
Sie wissen, dass ungefähr diese Steifigkeit eines Stahlträgers so viel Kraft aufwenden wird, oder dass ein Motor, den sie auf diese Weise konstruieren, so viel Energie erzeugen und so viel Energie verbrauchen wird. Wir haben alle diese Zahlen irgendwie in Position, und es hat uns Tausende von Jahren gekostet, diese Designregeln und -prinzipien zu implementieren.
Daher versuche ich in meiner anfänglichen Arbeit vor allem, die Regeln und Prinzipien für das Bauen mit biologischen Materialien festzulegen. Und ich konzentriere mich darauf, darüber nachzudenken, ob wir Roboter als implantierbare Geräte herstellen können, die lebende biologische Materialien in unseren Körper integrieren.
Dann wären sie in der Lage, zu spüren, was in einem individuellen System vor sich geht, beispielsweise als Reaktion auf eine Krankheit, und sich so an ihre Umgebung anzupassen, wie es biologische Materialien tun.
Welche Vorteile haben biologische Maschinen gegenüber einer Maschine aus Metall und Kunststoff, die beispielsweise durch künstliche Intelligenz von ihrer Umgebung lernen kann?
Weißt du, ich denke, es gibt einen Platz für Innovationen, bei denen viele verschiedene Arten von Materialien verwendet werden. Es gibt einige Stellen, zum Beispiel insbesondere im Inneren des Körpers, an denen es starke Argumente für die Verwendung biologischer Materialien gibt, da sie so konzipiert sind, dass sie in dieser Umgebung optimal funktionieren. Diese Materialien sind weich, sie funktionieren sehr gut in menschlichen Umgebungen mit 37 °C und arbeiten beim gleichen pH-Wert wie in dieser bestimmten Umgebung.
Sie haben auch all diese Anpassungsfähigkeiten, die synthetische Materialien nicht haben. Sicherlich haben wir mit synthetischen Materialien einen gewissen Weg gegangen. Es gibt einige Verbundmaterialien, die, wenn Sie sie zerkratzen, diesen Kratzer möglicherweise versiegeln können. Aber es ist nie so stark wie vorher. Und wenn Sie wiederholt an derselben Stelle kratzen, wird es immer schlimmer und schlimmer, was Ihrer Haut nicht passiert.
Vielleicht bist du gestürzt und hast dir das Knie verletzt, als du fünf warst. Wenn Sie das jetzt noch einmal machen würden, würde es vielleicht ein bisschen länger dauern, weil wir alle ein bisschen älter sind, aber es wird immer noch heilen und es wird die Haut in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzen, was nicht unbedingt der Fall wäre tun in einigen dieser Arten von Materialien.
- Abonnieren zum Science Focus Podcast auf diesen Diensten:Acast, iTunes, Stitcher, RSS, Overcast
Und ähnlich haben wir bei der KI [künstliche Intelligenz] eine Menge Fortschritte gemacht, um Maschinen zu entwickeln, die viele verschiedene Signale verarbeiten, eine ziemlich komplexe Reaktion berechnen und vielleicht sogar lernen oder sich anpassen können.
Aber wir sind noch sehr, sehr, sehr weit von dem entfernt, was das menschliche Gehirn oder das Gehirn im Allgemeinen leisten kann, wenn es darum geht, all die verschiedenen Arten von Signalen zu verarbeiten und komplexe Entscheidungen oder funktionale Verhaltensweisen zu treffen. Ich denke also, es gibt einen Platz [für biohybride Maschinen].
Mein Interesse gilt implantierbaren Geräten. Was kann ich in den Körper stecken, das sicher ist, sich an seine Umgebung anpassen kann und das ich auf irgendeine Weise so konstruieren kann, dass es eine vorhersagbare funktionelle Reaktion hat? Ich denke immer noch, dass es starke Argumente dafür gibt, dass biologische Materialien die beste Antwort sind.
Welche Art von biologischem Material verwenden Sie in diesen Maschinen? Ist es lebendes Gewebe, wie man es in einem menschlichen Körper findet?
Irgendwie ähnlich. Nehmen wir also das Beispiel eines Laufroboters. Als wir versuchten, einen Skelettmuskel herzustellen, der als Aktuator fungiert, der diesen Roboter laufen lässt, haben wir etwas entworfen, das fast wie ein Gummiband aussieht.
Wir haben also diese Art von Form oder einen 3D-Drucker und wir formen Zellen und eine Mischung aus verschiedenen Proteinen, die ihre natürliche Umgebung nachahmen, in diese ringförmige Form. Und wie das an diesem Punkt aussieht, ist, wenn Sie jemals ein Dessert auf Gelatinebasis oder Wackelpudding gemacht haben, es ist irgendwie kurz bevor es geliert. Es ist wie diese klebrige Mischung.
Sie können es in eine Reihe verschiedener Formen mustern und dann festigen. Und das gleiche passiert mit diesen Geweben. Sie nehmen im Wesentlichen diese ringartige Form an.
Da die Zellen lebendig sind, nehmen sie dann, wenn sie diesen Prozess durchlaufen, ihre Umgebung wahr und reagieren darauf. Schauen wir uns an, wie die Skelettmuskulatur in unserem Körper funktioniert. Es gibt einzelne Zellen, die miteinander verschmelzen, um diese langen Fasern oder Muskelfasern zu bilden. Diese Muskelfaser erzeugt Kraft und erzeugt Bewegung.
Wenn wir ein paar davon parallel stapeln, wie in unseren Beinen oder Armen, können wir ziemlich große Kräfte erzeugen. Also können wir dasselbe mit diesen Taschentüchern machen. Was passiert, ist, dass sich die Zellen vermehren. Sie reproduzieren. Sie treten in diesem ringartigen Konstrukt miteinander in Kontakt und verschmelzen zu Fasern innerhalb dieses Konstrukts.
Sie formen im Wesentlichen ihre Umgebung um und schaffen dann das Gewebe, das Kraft erzeugen und Bewegung erzeugen kann. Und sobald Sie an diesem Punkt angelangt sind, können Sie im Wesentlichen diesen Muskelring nehmen – der kontraktil ist oder als Reaktion auf einen Reiz Kraft erzeugen kann – und Sie können ihn um ein Skelett legen, das wirklich wie ein flexibles Exoskelett ist, das produzieren kann verschiedene Bewegungsarten.
Wir konzentrieren uns also auf etwas, das zwei Beine und einen flexiblen Balken dazwischen hat, und um diese beiden Beine wickeln wir diesen Muskel. Jedes Mal, wenn sich der Muskel zusammenzieht, ist er in der Lage, dieses Skelett zu verformen, und der Roboter bewegt sich Zentimeter nach vorne, ähnlich wie eine Raupe. Es geht oder kriecht über die Oberfläche.
Wofür könnten Sie Biohybrid-Design noch verwenden? Ist das alles medizinisch?
Nein, ich denke sicher nicht, dass es alles medizinisch ist. Mein persönliches Interesse gilt der Medizin, und deshalb konzentriere ich mich auf viele dieser Anwendungen. Wenn ich also mit Zellen baue, baue ich meistens mit Zellen, die von Säugetieren stammen, weil wir Säugetiere sind und sie in der von uns geschaffenen Umgebung funktionieren.
Es gibt jedoch ein paar andere Leute, die an biohybridem Design arbeiten, und es gibt Leute, die sich auf viele verschiedene Arten von Materialien konzentrieren. Sie könnten zum Beispiel von Insekten stammende Zellen verwenden, die bei Raumtemperatur ziemlich gut funktionieren, aber auch an der Luft sehr gut funktionieren, sodass sie nicht unbedingt immer in ein flüssiges Medium eingetaucht werden müssen.
Wenn Sie also daran denken, vielleicht einen ungebundenen Roboter zu haben, der sich beispielsweise in unserer Umgebung bewegen könnte, um entweder in einer Fabrik zu arbeiten oder vielleicht in einen Wasserstrom zu gehen, um eine Verschmutzungsquelle zu erkennen und das Gift zu neutralisieren, das er in dieser Umgebung war, Das ist die Art von Dingen, bei denen Sie vielleicht darüber nachdenken sollten, Zellen von einem Insekt oder vielleicht Zellen von Bakterien zu verwenden. Und das sind sicherlich alles sehr gültige und nützliche Anwendungen.
Wohin hoffen Sie, wird diese Forschung führen?
Ich konzentriere mich immer wieder auf medizinische Implantate, weil ich denke, dass einer der größten Trends, die wir heute in der Medizin sehen, diese Idee der Präzisionsmedizin oder personalisierten Medizin ist.
Aus Erfahrung wissen wir, dass verschiedene Krebspatienten in eine Klinik gehen und im Wesentlichen die gleiche Therapie erhalten, wobei einige Menschen wirklich gut auf die Behandlung ansprechen und andere wiederum nicht.
Anstatt allen die gleiche Medizin zu geben, warum geben Sie ihnen nicht ein Implantat, das die Chemikalien erzeugen kann, die ihr Körper benötigt, oder spüren, dass diese Person zu diesem Zeitpunkt ein bisschen mehr braucht oder diese Person nicht.
Wenn wir zum Beispiel bestimmte Zellen, die Insulin absondern, in einen Diabetiker einbringen, könnten diese Zellen möglicherweise automatisch regulieren, wie viel Insulin sie für die Bedürfnisse dieser einzelnen Person zu diesem Zeitpunkt absondern.
Ich denke, das Interessanteste, was ich derzeit tue, ist, darauf hinzuarbeiten, den Skelettmuskel, den ich im Labor entwickelt habe, als potenzielles Implantat zu verwenden, um Skelettmuskeln zu ersetzen, die aufgrund von Krankheiten oder Schäden verloren gegangen sind.
Das ist etwas, was ich einfach für eine wirklich sinnvolle Sache halte. Es ist mir sehr wichtig. Ich glaube, Mobilität ist für viele von uns selbstverständlich. Und wenn Sie es verlieren, kann dies erhebliche Auswirkungen auf Ihre Lebensqualität haben.
Viele, viele Leute haben das im Laufe der Jahre versucht, und wir haben viel verstanden, indem wir diese Roboter gebaut haben. Wie tun Sie es so, dass es auf seine Umgebung reagiert, und wie erzeugen Sie wirklich, wirklich große Kräfte aus kompakten Volumen? Ich würde gerne einen kleinen Teil dazu beitragen können, jemandem, der sie verloren hat, die Mobilität zurückzugeben.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 353 von BBC Science Focus –