Bakterien können es, Amöben können es, sogar Blutkörperchen können es: Sie alle haben die Fähigkeit, sich in Flüssigkeiten gezielt fortzubewegen. Und das, obwohl es sich um extrem einfache Strukturen handelt, ohne zentrales Steuerungssystem. Wie lässt sich das erklären? Ein Team der TU Wien, der Universität Wien und der Tufts University (USA) bildete diese Art der Bewegung am Computer nach und konnte zeigen: Auch völlig ohne zentrale Steuereinheit sind Schwimmbewegungen möglich. Das erklärt nicht nur das Verhalten von Kleinstlebewesen, es könnte auch Nano-Bots ermöglichen, die sich gezielt bewegen können, etwa um im Körper Medikamente an die richtige Stelle zu transportieren.

Erfolg auch ohne zentrales Steuerungssystem

„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?“

Relativ einfach ist das, wenn es ein zentrales Steuersystem gibt – so etwas wie ein Gehirn oder zumindest ein Nervenzentrum. Ein solches Zentrum kann gezielt Befehle an die einzelnen Teile erteilen. Dass auf diese Weise eine koordinierte Bewegung entsteht, ist leicht zu verstehen.

Doch ein Einzeller hat natürlich keine Nervenzellen, kein zentrales Verarbeitungssystem, das Befehle geben könnte. Wie ist es in diesem Fall möglich, dass eine koordinierte Schwimmbewegung entsteht? Wenn sich die einzelnen Teile des Mikroorganismus alle nach ganz simplen Regeln verhalten – kann daraus ein kollektives Verhalten entstehen, das zu einer effizienten Schwimmbewegung führt? 

Mikroorganismen am Computer simuliert

Man ging dieser Frage durch Computersimulationen nach: Die Mikroorganismen wurden als Ketten von miteinander verbundenen Kügelchen modelliert. Jedes dieser Kügelchen kann eine Kraft nach links oder nach rechts ausüben, aber jedes Kügelchen kennt nur die Position der unmittelbaren Nachbarn. Wissen über den Gesamtzustand des Organismus oder über weiter entfernte Kügelchen gibt es nicht.

„Die entscheidende Frage ist nun: Gibt es ein Steuersystem, einen Satz von simplen Regeln, einer Verhaltensstrategie, die jedes Kügelchen ganz individuell für sich befolgen kann, sodass insgesamt daraus eine kollektive Schwimmbewegung entsteht – ganz ohne zentrale Steuereinheit?“ sagt Benedikt Hartl.

Am Computer wurden die einzelnen Kügelchen – die simulierten Teile des virtuellen Mikroorganismus – mit einer ganz simplen Form von künstlicher Intelligenz ausgestattet, mit einem winzigen neuronalen Netz mit bloß 20 bis 50 Parametern, erklärt Hartl: „Der Begriff neuronales Netz ist in diesem Zusammenhang vielleicht etwas irreführend, natürlich hat ein Einzeller keine Neuronen. Aber derart einfache Steuersysteme können innerhalb einer Zelle etwa durch ganz einfache physikalisch-chemische Schaltkreise realisiert werden, die lokal einen bestimmten Bereich des Mikroorganismus zu einer ganz bestimmten Bewegung veranlassen.“

Nun wurde dieses simple dezentrale Steuersystem am Computer angepasst, auf der Suche nach einem möglichst effizienten „Steuercode“, der ein möglichst gutes Schwimmverhalten hervorbringt. Mit jeder Version dieses Steuersystems wurde der virtuelle Mikroorganismus in einer simulierten viskosen Flüssigkeit schwimmen gelassen. 

„Tatsächlich konnten wir zeigen: Dieser extrem simple Ansatz genügt, um ein sehr robustes Schwimmverhalten hervorzubringen“, sagt Benedikt Hartl. „Obwohl unser System keine zentrale Steuerung hat, obwohl sich jedes Segment des virtuellen Mikroorganismus nur nach ganz einfachen Regeln verhält, entsteht insgesamt ein komplexes Verhalten, das für effiziente Fortbewegung ausreicht.“

Biologie und Technik

Dieses Ergebnis ist nicht nur deshalb interessant, weil es das komplexe Verhalten sehr einfacher biologischer Systeme erklärt, es könnte auch für künstlich hergestellte Nanobots interessant sein: „Das bedeutet nämlich, dass man auch künstliche Strukturen schaffen könnte, die mit sehr einfacher Programmierung komplexe Aufgaben erfüllen könnten“, sagt Andreas Zöttl (Universität Wien). „Denkbar wäre etwa, Nanobots zu bauen, die aktiv im Wasser nach Ölverschmutzungen suchen und helfen, sie zu entfernen. Oder sogar medizinische Nanobots, die sich autonom im Körper an ganz bestimmte Stellen bewegen, um dort gezielt ein Medikament freizusetzen.“

Originalpublikation

B. Hartl, M. Levin, A. Zöttl, Neuroevolution of decentralized decision-making in N-bead swimmers leads to scalable and robust collective locomotion, Communications Physics 8, 94 (2025).
https://www.nature.com/articles/s42005-025-02101-5, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Rückfragehinweis

Dr. Benedikt Hartl
Institut für Theoretische Physik,
Center for Artificial Intelligence and Machine Learning (CAIML)
Technische Universität Wien
benedikt.hartl@tuwien.ac.at, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Kommunikation
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster