Wenn man eine Heuschrecke so verbessern möchte, dass sie als Bombenspürwanze eingesetzt werden kann, gibt es einige technische Herausforderungen, die gelöst werden müssen, bevor man sie ins Feld schickt.
Die Kernfragen
Gibt es eine Möglichkeit, die Heuschrecke zu steuern – ihr zu sagen, wohin sie gehen soll, um zu schnüffeln? Und da die Heuschrecken (noch) nicht sprechen können, gibt es eine Möglichkeit, das Gehirn dieser Cyborg-Wanzen zu lesen, um zu erfahren, was sie riechen? Und können Heuschrecken überhaupt Sprengstoff riechen?
Ja und ja zu den ersten beiden Fragen. Frühere Forschungsarbeiten der Washington University in St. Louis haben gezeigt, dass man die Heuschrecken nicht nur kontrollieren, sondern auch in ihren Gehirnen lesen kann, um herauszufinden, was sie riechen. Und mithilfe neuer Forschungsergebnisse der McKelvey School of Engineering ist nun auch die dritte Frage geklärt. Die Antwort lautet wieder: Ja.
„Jetzt können wir die Elektroden implantieren, die Heuschrecken versiegeln und sie in mobile Umgebungen transportieren“, so Raman, Professor für biomedizinische Technik. Eines Tages könnte diese Umgebung eine sein, in der der Heimatschutz nach Sprengstoffen sucht.
Tests mit Sprengstoff
In einem Vorabtest zeigten Forscher, wie sie das Geruchssystem einer Heuschrecke dazu bringen konnten, verschiedene Sprengstoffdüfte sowohl zu erkennen als auch zu unterscheiden – und das alles innerhalb weniger hundert Millisekunden nach der Exposition.
Es gelang ihnen auch, ein zuvor entwickeltes biorobotisches Sensorsystem zu verbessern, welches die feuernden Neuronen der Heuschrecken erkennen und diese Informationen so übermitteln konnte, dass sie den Forschern Auskunft über die von den Heuschrecken wahrgenommenen Gerüche gaben.
„Wir wussten nicht, ob sie in der Lage sein würden, den Sprengstoff zu riechen oder zu lokalisieren, da er keine ökologische Bedeutung hat“, so Raman. „Es war möglich, dass sie sich nicht um die Hinweise kümmerten, die in diesem speziellen Fall für uns von Bedeutung waren.“
Frühere Arbeiten in Ramans Labor führten zu der Entdeckung, dass das Geruchssystem der Heuschrecken als eine logische Oder-Oder-Operation entschlüsselt werden kann. Dadurch konnten die Forscher feststellen, was eine Heuschrecke in verschiedenen Kontexten riecht.
Mit diesem Wissen waren die Forscher in der Lage, nach ähnlichen Mustern zu suchen, wenn sie Heuschrecken den Dämpfen von TNT, DNT, RDX, PETN und Ammoniumnitrat aussetzten – einer chemisch vielfältigen Gruppe von Sprengstoffen. „Überraschenderweise“, so Raman, „konnten wir deutlich sehen, dass die Neuronen auf TNT und DNT sowie auf diese anderen explosiven chemischen Dämpfe unterschiedlich reagierten.“ Mit diesen entscheidenden Daten, so Raman, „waren wir bereit, an die Arbeit zu gehen. Wir waren optimiert.“
Geruchsbox und Heuschreckenmobil
Jetzt wussten sie, dass die Heuschrecken verschiedene Sprengstoffe erkennen und unterscheiden konnten, aber um eine Bombe aufzuspüren, musste eine Heuschrecke wissen, aus welcher Richtung der Geruch kam. So entstand die „Geruchsbox und das Heuschreckenmobil“.
„Wenn man sich in der Nähe eines Cafés befindet, ist der Kaffeegeruch stärker, und wenn man weiter weg ist, riecht man ihn weniger. Genau das haben wir untersucht“, sagte Raman. Die explosiven Dämpfe wurden durch ein Loch in der Box injiziert, in der die Heuschrecke in einem kleinen Fahrzeug saß. Während die Heuschrecke herumgefahren wurde und verschiedene Konzentrationen von Dämpfen schnupperte, untersuchten die Forscher ihre geruchsbezogene Gehirnaktivität. Die Signale in den Gehirnen der Heuschrecken spiegelten diese Unterschiede in der Dampfkonzentration wider.
Der nächste Schritt bestand darin, das System für die Übertragung der Hirnaktivität der Heuschrecken zu verbessern. Das Team, zu dem auch Shantanu Chakrabartty, der Clifford W. Murphy Professor im Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering, und Srikanth Singamaneni, der Lilyan & E. Lisle Hughes Professor im Department of Mechanical Engineering & Materials Science, gehörten, konzentrierte sein gesamtes Fachwissen auf die winzige Heuschrecke.
Um den Heuschrecken so wenig wie möglich zu schaden und sie stabil zu halten, damit ihre neuronale Aktivität genau aufgezeichnet werden kann, entwickelte das Team ein neues chirurgisches Verfahren zur Anbringung von Elektroden, das die Bewegung der Heuschrecken nicht behindert. Mit dem neuen Instrumentarium konnte die neuronale Aktivität einer Heuschrecke, die einem explosiven Geruch ausgesetzt war, innerhalb von 500 Millisekunden in ein erkennbares geruchsspezifisches Muster aufgelöst werden.
„Jetzt können wir die Elektroden implantieren, die Heuschrecke versiegeln und sie in eine mobile Umgebung transportieren“, so Raman. Eines Tages könnte diese Umgebung eine sein, in der der Heimatschutz nach Sprengstoff sucht. Die Idee ist gar nicht so abwegig, wie sie zunächst klingen mag, so Raman. „Das ist nicht viel anders als früher, als die Bergleute Kanarienvögel verwendeten“, sagte er. „Die Leute benutzen Schweine, um Trüffel zu finden. Es ist ein ähnlicher Ansatz – die Verwendung eines biologischen Organismus – nur ein bisschen ausgefeilter.“
