How biohacked bugs would truly work

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Eine Biohacked-Heuschrecke, die Bombenchemikalien ausspähen kann, ist die neueste in einer langen Reihe von Insekten-Maschinen-Hybriden, die aus den Werkstätten kreativer Ingenieure hervorgegangen sind.

Diese Designer sagen, dass ihre Erfindungen keine Albträume sind, sondern lediglich versuchen, die Tatsache voll auszunutzen, dass einige Insektenarten – über Hunderte von Millionen von Jahren – nützliche Fähigkeiten entwickelt haben, die die der Menschen weit übertreffen. einschließlich der Fähigkeit, Sprengstoff aufzuspüren, Leichen zu finden und felsiges Gelände zu erklimmen.

„Unsere Tendenz als Mensch ist es, uns als schrecklich klug und Ingenieure als schrecklich geschickt und Wissenschaftler als schrecklich klug zu betrachten. Und es stellt sich heraus, dass die Evolution all unsere Wissenschaft und Technik ziemlich klobig aussehen lassen kann “, sagt er Jeffrey A. Lockwood, ein Entomologe, der zum Professor für kreatives Schreiben an der Universität von Wyoming wurde. Lockwood legte die Geschichte der Insekten als Werkzeuge dar sein Buch, “Sechsbeinige Soldaten, ” bemerken, dass Käfer wurden als Kriegs- und Folterinstrumente sowie als Überträger zur gezielten Verbreitung von Krankheiten eingesetzt.

Das Neueste biohacked Bugs und Insekten nachahmende Roboter können in einigen Fällen sogar die Fähigkeiten natürlich entwickelter Insekten übertreffen, aber Aufgrund ihrer Komplexität und Kosten werden viele von ihnen nicht so schnell bereitgestellt. Bisher, Sie existieren meist als experimentelle Prototypen. Einige sind jedoch weit verbreitet, einschließlich das im Handel erhältliche Kakerlaken-Biohacking-Kit RoboRoach, verkauft als Werkzeug, um Neurotechnologie zu lehren.

Die bombenschnüffelnden Heuschrecken wurden von a Mannschaft von Ingenieuren der Washington University in St. Louis, die Elektroden in die Antennenlappen von Heuschrecken implantierten, um die natürlich hoch entwickelten Geruchsrezeptoren des Insekts zu erschließen.

Eine seiner biohacked Heuschrecken hält seine behandschuhte linke Hand, der leitende Forscher des Projekts. biomedizinische Engineer Barani Ramanerklärte die Gründe für seine Arbeit in einem Web Video:: “Wir können keinen Sensor oder ein Gerät entwickeln, das so hoch entwickelt ist wie diese Leute. Können wir also die biologische Geruchsbildung nutzen, aber so vorlesen, wie wir es wollen, und die praktischen Herausforderungen lösen?”.

Die Antwort lautet ja, sie können. In einem neu veröffentlichten Preprint ihrer Studie, auf dem Server gepostet bioRxiv, Raman und sein Team sagen, sie haben Biohacked-Heuschrecken gebaut und getestet, die als ausgebildete Wachposten dienen können und ihren menschlichen Bewahrern Bericht erstatten, wenn ihre empfindlichen Geruchssysteme einen verdächtigen Geruch erkennen. Während Raman und der Rest seines Teams Kommentare ablehnen, bis ihre Studie veröffentlicht wird, erläutern sie den Prozess im Web Video, veröffentlicht im Jahr 2016 auf dem YouTube-Kanal der Washington University.

Die Idee von Heuschrecken als Bomben-Detektoren mag fremdartig erscheinen, aber Heuschrecken-Experten halten dies für möglich. Ein solcher Experte ist Jeremy Niven, ein Zoologe, der Heuschrecken an der Universität von Sussex studiert. Er half bei der Veröffentlichung eines Papier- Beschreibung des olfaktorischen Lernens bei Wüstenheuschrecken im Jahr 2011.

“Mein Verständnis wäre, dass es tatsächlich machbar sein könnte”, sagt Niven. “Man könnte einen kleinen Ort an einen Computer anschließen und das Geruchssystem ist so empfindlich, dass es die Spuren von Chemikalien aufnehmen kann.” Heuschrecken könnten nicht nur nach Bomben schnüffeln, sagt Nivens. Sie könnten auch eines Tages verwendet werden, um Drogen zu erkennen oder unerwünschte Chemikalien in importierten Lebensmitteln zu identifizieren.

Das Washington University Projekt konzentrierte sich auf die Ausbildung von Heuschrecken, um auf Sprengstoff zu reagieren, weil Das ist das Interesse seines Hauptfinanzierers: der US Navy über das Office of Naval Research. Aber „im Allgemeinen wollen wir ein Gerät herstellen, das riecht“, sagt Raman im Video von 2016.

Ihr erster Schritt bei der Herstellung einer bombenschnüffelnden Heuschrecke sollte man ihr beibringen, wonach sie riechen sollte. Verwenden einer Form von klassische Konditionierung, die Forscher trainierte die Insekten, die Sprengstoffe Dinitrotoluol (DNT) und Trinitrotoluol (TNT) zu erkennen und darauf zu reagieren, indem sie ihre Düfte jeweils vier Sekunden lang auf die Heuschrecken wehten und dies zehnmal wiederholten. Sobald die Heuschrecken wussten, wonach sie riechen sollten, klebten die Forscher Computerchips auf den Rücken der Heuschrecken und befestigten die Rucksäcke an Elektroden, die in das Gehirn der Heuschrecken implantiert waren, um auf ihre neuronalen Informationen zuzugreifen. Der Chip zeichnete und interpretierte dann die neuronale und olfaktorische Aktivität jeder Heuschrecke und übertrug die Daten an den menschlichen Bediener des Systems, wenn das Insekt etwas Nützliches fand.

Ingenieure haben amerikanische Heuschrecken für das Experiment aus mehreren Gründen ausgewählt: Sie sind groß genug, um die schwere Last des Computerchips zu tragen, und verfügen über ein gut untersuchtes Geruchssystem, kann klassisch konditioniert werden, um bestimmte Gerüche zu erkennen einUnd sie haben ein relativ einfaches Gehirn, dessen neuronale Aktivität leichter zu überwachen ist.

Während das Team der Washington University über Erfolge bei der Ausbildung der Heuschrecken berichtete, gab es einige Einschränkungen. Die Qualität der Datenaufzeichnung blieb nur etwa sieben Stunden lang erhalten, aber dies könnte nach Angaben der Forscher durch regelmäßige Fütterung der Insekten verbessert werden, um ihr Gehirn zu ernähren. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die von einer Heuschrecke gesammelten Daten nicht verwendet werden können, um zu verstehen, welche Geruchssignale eine andere Heuschrecke aufgenommen hat, da Drähte an verschiedenen Stellen in den Antennenlappen jedes Insekts eingeführt werden. Da die Insekten jedoch billig und leicht zu trainieren sind, hielten die Forscher diese Einschränkungen nicht für ein großes Problem.

Kreative Forscher nutzen seit Jahrzehnten die leistungsstarken Geruchserkennungsfunktionen von Insekten. In einem 1988 Papier, zum Beispiel, Entomologe der University of Georgia Joe Lewis zeigte, dass Parasitenwespen könnten lernen, auf bestimmte Gerüche zu reagieren, genau wie Menschen und Bluthunde.

„Das war ziemlich spektakulär, weißt du, [there was] viel Nachrichteninteresse und Aufregung darüber “, erinnert sich Lewis, der jetzt im Ruhestand ist. Er produzierte sogar ein Gerät namens Wespenhund um zu zeigen, was Wespen tun können.

Lewis baute seinen Wasp Hound, indem er eine Kamera und einen Ventilator an einem Ende eines Stücks PVC-Rohrs installierte, das drei Zoll breit und ungefähr 10 Zoll lang ist. Am anderen Ende steckte er fünf ausgebildete Wespen in einen Behälter, der mit einer abnehmbaren Kappe mit einer Lochblende verschlossen war, damit Gerüche in die Kammer gelangen konnten.

Um die Wespen zu trainieren, ließen Lewis und sein Team die Wespen gleichzeitig 10 Sekunden lang eine Chemikalie riechen Erlaubt ihnen, Zuckerwasser zu trinken, ein Lieblingsgenuss. Sie wiederholten den Vorgang dann dreimal. Normalerweise dauerte es fünf bis zehn Minuten, um die Wespen zu trainieren, um einen Geruch zu erkennen.

“Wir hatten einige Idioten, schnelle und langsame Lernende”, sagt Lewis. Eine der Chemikalien, deren Geruch den Wespen beigebracht wurde, war 3-Octanon, eine Chemikalie, die von giftigen Pilzen erzeugt wurde, die Mais und Erdnusspflanzen krank machen. Im vorherige StudienWespen schnüffelten auch 2,4-DNT – ein Abbauprodukt von TNT – sowie Cadaverin, eine Chemikalie, die aus verrottendem Fleisch hergestellt wird.

Mit ausgebildeten Wespen, die in den Wespenhund geladen wurden, konnte jemand herumlaufen und das Rohr halten, während ein Ventilator Luft in die Haltekammer der Wespen zirkuliert. Wenn die Wespen den Geruch wahrnehmen, für den sie ausgebildet wurden, drängen sie sich um das Loch und hoffen auf Zuckerwasser. Wenn man das sieht, weiß jeder, der den Wespenhund in der Hand hält, dass er einen Treffer bekommt.

Lewis sagt, er habe versucht, seine Erfindung von Wasp Hound in die reale Welt zu tragen, aber es gab keine Nachfrage danach. “Was uns hier begegnet ist, war eine völlig neue Technologie, aber sie ist so neu, dass es keinen Ort gibt, an dem sie geliefert werden kann”, sagt er. Theater und Hotels waren an dem Wasp Hound zur Erkennung von Bettwanzen interessiert, aber Lewis sagt, dass aus finanziellen Gründen nie etwas passiert ist.

Zusätzlich zu ein Erkennungsgerät sein, Lewis ‘Erfindung zeigte, dass olfaktorisches Lernen aus einer alten evolutionären Anpassung stammen könnte. “Parasitäre Wespen taten das Gleiche, von dem wir wussten, dass es bei Menschen und anderen Primaten und höheren Tieren vorkommt – dass die Nase aus dem Mund lernt”, sagt Lewis.

Biohacking, bei dem bearbeitete Geräte direkt mit lebenden Tieren verschmolzen werden – auch Menschen – ist eine aufstrebende Grenze in der Insektentechnik. “Biohacking ist eine Möglichkeit, Millionen von Jahren natürlicher Selektion zu nutzen, um zu verkürzen, was Jahrzehnte oder vielleicht Jahrhunderte dauern würde, um etwas zu entwickeln, das in Bezug auf Energiesysteme, ein Navigationssystem und ein aerodynamisches System so hoch entwickelt ist wie eine Fliege.” Sagt Lockwood. “Wir sind im Moment so weit davon entfernt, dass es einfach unglaublich ist.”

Es hat jedoch gegeben Atomkraft Cyborgkäfer erstellt für Spionage, dank der Finanzierung durch die US Defense Advanced Research Projects Agency. Die Agentur hat auch studiert sexuell ausgehungerte Motten als potenzielle Möglichkeit, Bankräuber aufzuspüren, und hat sogar eine ganze Filiale angerufen Insektenverbündete das untersucht, wie Insekten Pflanzen im Wesentlichen gegen schädliche Krankheiten oder andere Insekten impfen können.

Von Insekten inspirierte Roboter, die ausschließlich Maschinen sind sind ein weiteres heißes Forschungsgebiet. In Zusammenarbeit mit der Tsinghua University in China Maschinenbauingenieur Liwei Lin und sein Team an der University of California in Berkeley schufen eine Roboter das sieht aus und bewegt sich wie eine Kakerlake. Wenn Sie darauf treten, kann die Robo-Kakerlake dem bis zu einer Millionfachen ihres Gewichts standhalten – ein weiteres Merkmal, das von der bescheidenen Kakerlake übernommen wurde. Der Roboter könnte bei Such- und Rettungsmaßnahmen helfen, die normalerweise Menschen oder Hunde gefährden würden. Lin sagt, dass der Roboter noch nicht im Feld eingesetzt wurde, da er und sein Team noch an seinen Steuerungen arbeiten. Jetzt untersucht er die Bewegungen von Tigern und Leoparden, um herauszufinden, wie seine Roboter schneller drehen können.

Während Roboterbewegungen normalerweise Räder oder Ketten verwenden, erfordern diese normalerweise eine flache Oberfläche, sagt Lin. Im Gegensatz dazu haben Insekten mit ihren sechs dynamischen Beinen gemeistert, wie man sich am besten über herausfordernde Oberflächen bewegt. Die Verwendung dieser natürlichen Techniken zur Information über die Robotertechnik ermöglicht es den Kreationen, sich leichter zu bewegen, weshalb Lin sagt, dass „dieses biologische Tier tatsächlich ein sehr, sehr gutes Modell wäre, wenn wir die Leistung der künstlichen Roboter verbessern wollen.“

Trotz aller Aufmerksamkeit, die diese von Insekten inspirierten Roboter und Biohacked-Hybriden erhalten, gibt es bisher relativ wenige Beispiele für eine breite kommerzielle Verwendung. Die Nachfrage ist immer noch begrenzt und Entwicklungskosten sind hoch. Obwohl Organisationen wie die US Navy weiterhin nach biologisch gehackten Bugs suchen, ist dies der Fall Die Bug-Technologie hat noch nicht die Leichtigkeit, Kosten und Nützlichkeit erreicht, die für die Implementierung in den Alltag erforderlich sind. Wie der Autor und Entomologe Lockwood feststellt, sind die Lernkapazitäten von Insekten begrenzt und ihre zerquetschbaren Körper machen sie zu fragilen Technologien, selbst wenn ihre Verwendung die derzeitigen Einschränkungen der menschlichen Technik überschreitet.

Trotzdem träumen die Ingenieure immer noch und sind überzeugt, dass zumindest einige ihrer gruseligen Träume eines Tages Wirklichkeit werden. Die Versuchung, die Vermögenswerte dieser Arten zu nutzen, ist möglicherweise zu groß, als dass wir uns widersetzen könntennach Lockwood.

Menschen sind keine bescheidenen Wesen, sagt er, aber wir sind klug genug, um schließlich „zu erkennen, dass Radfahrzeuge und winzige fliegende Jets möglicherweise nicht annähernd so lebensfähig sind, wie die Aspekte der Biologie ernst zu nehmen, die wir eher nachahmen als neu erfinden können“.