菌類の支配下に置かれたロボット

現実世界の環境をナビゲートしたり、変化する状況に適応したりする能力に関しては、ほとんどの生物は機械を簡単に上回ります。そのギャップを埋める方法の 1 つは、動物の筋肉、細菌、植物などの生物学的要素と合成機械を融合したバイオハイブリッド ロボットを構築することです。

しかし、生きた筋肉を機械の中で生かし続けるのは非常に難しく、細菌の寿命は非常に短く、植物はエントのように物事に少しゆっくりと反応する傾向があります。 ロード・オブ・ザ・リングそこで、コーネル大学の科学者チームは別の道を歩み、菌類、具体的にはヒラタケによって制御されるバイオハイブリッドロボットを開発しました。

キノコの信号を理解する

菌類によって制御されるロボットは、強力な ラスト・オブ・アス 菌類は、雰囲気を醸し出すという点で、理論上は良いアイデアです。菌類は維持が非常に簡単で、北極のような極限環境や、核汚染された環境下でも、ほぼどこでも生息できます。また、大量に培養しても安価で、光への曝露などの環境シグナルに反応する能力に優れています。

しかし、主な課題は、それらをロボットと接続することでした。なぜなら、ロボットをキノコにどうやって接続するかという問題です。

「これまで菌類と電気機械の接続は、（菌類がどれだけ速く成長しているかを）画像化することで行われていました。私たちが行った新しいことは、菌糸体に直接接続し、それを使って機械を制御することでした」と、コーネル大学の機械工学准教授でこの研究の共著者であるロバート・F・シェパードは述べています。菌糸体は、地下にあることが多い菌糸と呼ばれる枝分かれした糸状構造の大きなネットワークです。菌類は、環境を感知し、電気信号を介して互いに通信するために菌糸体を使用します。

菌糸体を電気システムに接続するための秘訣は、菌糸体を 3D プリントされた足場の中で培養し、14 ～ 33 日後に基本的に電極に成長するまで培養することだった。しかし、安定した接続を確立することと、その信号を読み取ることはまったく別の話だった。

研究チームは30日間にわたってキノコの電気的活動を記録し、観察結果を分析した。まず、5マイクロボルト未満の信号はすべてノイズとして分類した。次に、研究チームは30秒間隔でデータをサンプリングし、デジタルフィルターを適用して5マイクロボルト未満の信号を平滑化し、電子ノイズを除去した。こうすることで、菌類の電気的通信のピークを正確に特定、測定、特徴付けることができた。これが完了すると、シェパード氏と同僚は、さまざまな強度の紫外線への曝露などの単純な刺激に菌類がどのように反応するかのテストを開始した。テストが完了すると、菌類の菌糸と電極を収めた足場は振動や磁気干渉から保護され、2台のロボットに取り付けられた。1台はヒトデに似た歩行ロボット、もう1台はより標準的な4輪ローバーである。

研究チームは、キノコがロボットを紫外線光源に近づけたり遠ざけたりすることでロボットを制御できることを実証した。

それでも、これは、キノコで動く制御ユニットが、シールドと信号処理をすべて備えて、市販の光センサーの最も低機能な機能とほぼ同じことを達成したことを意味します。しかし、菌類は光だけでなく化学物質にも反応します。そして、化学物質を感知することに関しては、菌類は地球上のほぼすべての合成センサーを上回っています。

真菌化学検出器

「より制御されたシステムを手に入れたら、今やるべきことは化学物質への曝露、生物学的曝露を調べることです。生物は、非常に微量の化学物質を検出する合成システムよりも、これらの信号をはるかにうまく増幅できます」とシェパード氏は言う。菌類を化学物質検出器として使用することは、環境の酸性度やシアン化物などの特定の化合物の存在など、幅広い化学刺激への曝露と菌類に記録された電気活動を一致させる必要があるため、はるかに困難であると彼は述べた。

これを実現する最も可能性の高い方法は、それぞれの曝露に応じて発せられる真菌の電気信号の大規模なデータセットを記録し、それに注釈を付け、AI モデルをトレーニングして真菌の言語を解釈できるようにすることです。理想的には、「この電気パターンは土壌がわずかに酸性すぎることを意味します」と判断できるようになります。

「菌類は環境と相互作用しており、私たちはすべての信号が何を意味するのかを知る必要がある。菌類が好むものに遭遇したときの信号がどのようなものか、また菌類が嫌うものに遭遇したときの信号がどのようなものか」とシェパード氏は言う。キノコを枯らすものの多くは植物も枯らすので、菌類バイオハイブリッドロボットは農業で役立つ可能性があるとシェパード氏は付け加える。

「私たちは、こうしたシステムを接続ポイントとして捉え、畑に肥料を与えすぎないように植物の健康状態を測っています。四足歩行ロボットの足に菌糸が積まれ、環境を移動しながら局所的に感知する様子を想像してみてください。あるいは、畑全体に菌糸が生えていて、ロボットが菌糸が豊富な環境に電極を突き刺して接続する様子を想像してみてください」とシェパードは言う。唯一の問題は、菌類も他の生物同様、いずれは死んでしまうということだ。しかし、チームはその回避策も見出している。

「胞子と栄養素を再注入して古い菌糸を再生させる能力があり、これは素晴らしいことになりそうです。ロボットの生と死と再生です」とシェパードは言う。

サイエンスロボティクス、2024年。DOI: 10.1126/scirobotics.adk8019