Robôs biohíbridos controlados por impulsos elétricos em cogumelos

Construir um robô leva tempo, habilidade técnica, os materiais certos e, às vezes, um pouco de fungo.

Ao criar um par de novos robôs, pesquisadores de Cornell cultivaram um componente improvável, encontrado não no laboratório, mas no chão da floresta: micélios fúngicos. Ao aproveitar os sinais elétricos inatos dos micélios, os pesquisadores descobriram uma nova maneira de controlar robôs “biohíbridos” que podem potencialmente reagir ao seu ambiente melhor do que suas contrapartes puramente sintéticas.

O artigo da equipe, “Controle sensório-motor de robôs mediado por medições eletrofisiológicas de micélios fúngicos”, foi publicado em Ciência Robótica. O autor principal é Anand Mishra, pesquisador associado do Laboratório de Robótica Orgânica liderado por Rob Shepherd, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Cornell Engineering, e autor sênior do artigo.

“Este artigo é o primeiro de muitos que usarão o reino fúngico para fornecer sinais de comando e detecção ambiental para robôs para melhorar seus níveis de autonomia”, disse Shepherd. “Ao cultivar micélio na eletrônica de um robô, fomos capazes de permitir que a máquina biohíbrida detectasse e respondesse ao ambiente. Neste caso, usamos luz como entrada, mas no futuro será química. O potencial para robôs futuros pode ser detectar a química do solo em plantações em linha e decidir quando adicionar mais fertilizante, por exemplo, talvez mitigando efeitos a jusante da agricultura, como florações de algas prejudiciais.”

Ao projetar os robôs do amanhã, os engenheiros pegaram muitas de suas dicas do reino animal, com máquinas que imitam a maneira como as criaturas vivas se movem, sentem seu ambiente e até regulam sua temperatura interna por meio da transpiração. Alguns robôs incorporaram material vivo, como células de tecido muscular, mas esses sistemas biológicos complexos são difíceis de manter saudáveis ​​e funcionais. Afinal, nem sempre é fácil manter um robô vivo.

Os micélios são a parte vegetativa subterrânea dos cogumelos e têm uma série de vantagens. Podem crescer em condições adversas. Também têm a capacidade de sentir sinais químicos e biológicos e responder a múltiplas entradas.

“Se você pensar em um sistema sintético — digamos, qualquer sensor passivo — nós o usamos apenas para um propósito. Mas os sistemas vivos respondem ao toque, respondem à luz, respondem ao calor, respondem até mesmo a alguns desconhecidos, como sinais”, disse Mishra. “É por isso que pensamos, OK, se você quisesse construir robôs futuros, como eles poderiam trabalhar em um ambiente inesperado? Podemos alavancar esses sistemas vivos, e qualquer entrada desconhecida que entrar, o robô responderá a isso.”

No entanto, encontrar uma maneira de integrar cogumelos e robôs exige mais do que apenas conhecimento tecnológico e habilidade para lidar com plantas.

“Você tem que ter formação em engenharia mecânica, eletrônica, alguma micologia, alguma neurobiologia, algum tipo de processamento de sinais”, disse Mishra. “Todos esses campos se juntam para construir esse tipo de sistema.”

Mishra colaborou com uma série de pesquisadores interdisciplinares. Ele consultou Bruce Johnson, pesquisador associado sênior em neurobiologia e comportamento, e aprendeu como registrar os sinais elétricos que são transportados nos canais iônicos semelhantes a neurônios na membrana do micélio. Kathie Hodge, professora associada de patologia vegetal e biologia de micróbios vegetais na Escola de Ciência Integrativa de Plantas na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida, ensinou Mishra a cultivar culturas de micélios limpas, porque a contaminação acaba sendo um grande desafio quando você está colocando eletrodos em fungos.

O sistema desenvolvido por Mishra consiste em uma interface elétrica que bloqueia a vibração e a interferência eletromagnética e registra e processa com precisão a atividade eletrofisiológica do micélio em tempo real, e um controlador inspirado em geradores de padrões centrais — um tipo de circuito neural. Essencialmente, o sistema lê o sinal elétrico bruto, processa-o e identifica os picos rítmicos do micélio, então converte essa informação em um sinal de controle digital, que é enviado aos atuadores do robô.

Dois robôs biohíbridos foram construídos: um robô macio em forma de aranha e um robô com rodas.

Os robôs completaram três experimentos. No primeiro, os robôs andaram e rolaram, respectivamente, como uma resposta aos picos naturais contínuos no sinal do micélio. Então, os pesquisadores estimularam os robôs com luz ultravioleta, o que os fez mudar seus passos, demonstrando a capacidade do micélio de reagir ao seu ambiente. No terceiro cenário, os pesquisadores foram capazes de anular completamente o sinal nativo do micélio.

As implicações vão muito além dos campos da robótica e dos fungos.

“Esse tipo de projeto não é apenas sobre controlar um robô”, disse Mishra. “É também sobre criar uma conexão verdadeira com o sistema vivo. Porque uma vez que você ouve o sinal, você também entende o que está acontecendo. Talvez esse sinal esteja vindo de algum tipo de estresse. Então você está vendo a resposta física, porque esses sinais não podemos visualizar, mas o robô está fazendo uma visualização.”

Os coautores incluem Johnson, Hodge, Jaeseok Kim da Universidade de Florença, Itália, e a assistente de pesquisa de graduação Hannah Baghdadi.