Wie bewegen sich Mikroorganismen wie Bakterien, Amöben oder Blutkörperchen zielgerichtet in Flüssigkeiten, obwohl sie kein komplexes Nervensystem besitzen? Ein Forschungsteam der TU Wien, der Universität Wien und der Tufts University (USA) liefert Antworten. Durch Computersimulationen konnte gezeigt werden, dass einfache, dezentrale Steuersysteme ausreichen, um koordinierte Schwimmbewegungen zu ermöglichen. Die Ergebnisse könnten nicht nur das Verhalten von Kleinstlebewesen erklären, sondern auch die Entwicklung von Nanobots fördern, die sich gezielt im Körper bewegen, um Medikamente zu transportieren.

„Einfache Mikroorganismen kann man sich aus mehreren Teilen zusammengesetzt vorstellen, ein bisschen wie eine Perlenkette“, sagt Benedikt Hartl vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien und vom Allen Discovery Center der Tufts University, Erstautor der aktuellen Publikation. „Die einzelnen Teile können sich relativ zueinander bewegen. Wir wollten wissen: Unter welchen Umständen ergibt sich daraus eine Bewegung, die dazu führt, dass sich der gesamte Organismus insgesamt in eine gewünschte Richtung bewegt?“

Die Forscher simulierten dazu Mikroorganismen als Ketten von Kügelchen, die nur lokal miteinander verbunden sind und einfache Kräfte ausüben können. Jedes Kügelchen folgt simplen Regeln, ohne Kenntnis des Gesamtzustands des Organismus. Mit Hilfe künstlicher Intelligenz wurde ein dezentrales Steuersystem entwickelt, das auf minimalen physikalisch-chemischen Mechanismen basiert. In Simulationen zeigte sich: Selbst ohne zentrale Steuerung entsteht eine effiziente, kollektive Schwimmbewegung.

Die Erkenntnisse erhellen, wie einfache biologische Systeme komplexe Aufgaben lösen. Zudem könnten sie den Bau von Nanobots ermöglichen, die autonom Aufgaben wie die Beseitigung von Ölverschmutzungen oder die gezielte Medikamentenabgabe im Körper übernehmen. Die Studie zeigt, dass komplexes Verhalten auch mit minimaler Programmierung möglich ist.

Original Paper:

Neuroevolution of decentralized decision-making in $${\boldsymbol{N}}$$ -bead swimmers leads to scalable and robust collective locomotion | Communications Physics

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Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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