Будьте готовы к Xenobots 2.0.
Эта же команда создала формы жизни, которые самостоятельно собирают тело из отдельных клеток, не требуют движения мышечных клеток и даже демонстрируют возможность записываемой памяти. Ксеноботы нового поколения также перемещаются быстрее, перемещаются в разных средах и имеют более продолжительный срок службы, чем первое издание, и у них по-прежнему есть возможность работать вместе в группах и лечить себя в случае повреждения.
Результаты нового исследования опубликованы сегодня в Science Robotics.
По сравнению с Xenobots 1.0, в котором автоматы миллиметрового размера были сконструированы по принципу «сверху вниз» путем ручного размещения ткани и хирургической обработки кожи лягушки и сердечных клеток для создания движения, следующая версия Xenobots использует подход «снизу вверх». Биологи из Тафтса взяли стволовые клетки из эмбрионов африканской лягушки Xenopus laevis (отсюда и название «ксеноботы») и позволили им собраться и вырасти в сфероиды, где некоторые клетки через несколько дней дифференцировались с образованием ресничек – крошечные волоскоподобные выступы, которые движутся вперед и назад или вращаются определенным образом. Вместо использования вручную созданных сердечных клеток, естественные ритмические сокращения которых позволяли оригинальным ксеноботам суетиться, реснички дают новым сфероидальным ботам «ноги», чтобы быстро перемещать их по поверхности.
У лягушки или человека реснички обычно обнаруживаются на слизистых поверхностях, например, в легких, чтобы помочь вытеснить патогены и другие инородные материалы. На Xenobots они перепрофилированы для обеспечения быстрого передвижения.
«Мы наблюдаем удивительную пластичность клеточных коллективов, которые строят рудиментарное новое« тело », совершенно отличное от их стандартного – в данном случае лягушки – несмотря на полностью нормальный геном», – сказал Майкл Левин, заслуженный профессор. биологии, директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и автор-корреспондент исследования. "В эмбрионе лягушки клетки взаимодействуют, чтобы создать головастика.
Здесь, вне этого контекста, мы видим, что клетки могут перенацеливать свое генетически закодированное оборудование, такое как реснички, для новых функций, таких как движение. Удивительно, что клетки могут спонтанно брать на себя новые роли и создавать новые планы тела и модели поведения без длительных периодов эволюционного отбора для этих функций."
"В каком-то смысле ксеноботы сконструированы так же, как и традиционные роботы. Только мы используем клетки и ткани, а не искусственные компоненты для создания формы и создания предсказуемого поведения."сказал старший научный сотрудник Дуг Блэкистон, который стал соавтором исследования вместе с техником-исследователем Эммой Ледерер. «С точки зрения биологии, этот подход помогает нам понять, как клетки взаимодействуют друг с другом во время развития, и как мы можем лучше контролировать эти взаимодействия."
Пока ученые Тафтса создавали физические организмы, ученые из UVM были заняты компьютерным моделированием, моделировавшим различные формы ксеноботов, чтобы увидеть, могут ли они проявлять разное поведение как индивидуально, так и в группах.
Команда под руководством компьютерных ученых и экспертов по робототехнике Джоша Бонгарда использовала кластер суперкомпьютеров Deep Green в Advanced Computing Core UVM в Вермонте в сотнях тысяч случайных условий окружающей среды с использованием эволюционного алгоритма. Эти симуляции использовались для определения ксеноботов, наиболее способных работать вместе в роях, чтобы собирать большие груды мусора в поле частиц.
«Мы знаем задачу, но для людей не совсем очевидно, как должен выглядеть успешный дизайн.
Вот тут-то и появляется суперкомпьютер, который ищет в пространстве всех возможных роей ксеноботов, чтобы найти рой, который лучше всего работает », – говорит Бонгард. "Мы хотим, чтобы Xenobots выполняли полезную работу. Прямо сейчас мы даем им простые задачи, но в конечном итоге мы стремимся к новому виду живого инструмента, который мог бы, например, очищать микропластик в океане или загрязняющие вещества в почве."
Оказывается, новые ксеноботы намного быстрее и лучше справляются с такими задачами, как сбор мусора, чем прошлогодняя модель, работая вместе в рое, чтобы прочесать чашку Петри и собрать большие кучи частиц оксида железа.
Они также могут покрывать большие плоские поверхности или проходить через узкие капилляры. Эти исследования также предполагают, что симуляции in silico могут в будущем оптимизировать дополнительные функции биологических ботов для более сложного поведения.
Одна важная функция, добавленная в обновлении Xenobot, – это возможность записи информации.
Теперь с памятью
Центральной особенностью робототехники является возможность записывать память и использовать эту информацию для изменения действий и поведения робота.
Имея это в виду, ученые Тафтса разработали Xenobots с возможностью чтения / записи для записи одного бита информации, используя флуоресцентный репортерный белок под названием EosFP, который обычно светится зеленым. Однако при воздействии света с длиной волны 390 нм белок вместо этого излучает красный свет.
В клетки эмбрионов лягушки вводили информационную РНК, кодирующую белок EosFP, до того, как стволовые клетки были вырезаны для создания Xenobots. У зрелых ксеноботов теперь есть встроенный флуоресцентный переключатель, который может регистрировать воздействие синего света около 390 нм.
Исследователи проверили функцию памяти, позволив 10 ксеноботам плавать по поверхности, одно пятно которой освещено пучком света с длиной волны 390 нм. Через два часа они обнаружили, что три бота излучали красный свет.
Остальные остались прежними, зелеными, эффективно отражая "путешествия" ботов.
Это доказательство принципа молекулярной памяти может быть расширено в будущем для обнаружения и регистрации не только света, но и наличия радиоактивного загрязнения, химических загрязнителей, лекарств или болезненных состояний. Дальнейшая разработка функции памяти может позволить записывать несколько стимулов (больше битов информации) или позволить ботам выделять соединения или изменять поведение при ощущении стимула.
«Когда мы расширяем возможности ботов, мы можем использовать компьютерное моделирование, чтобы создавать для них более сложное поведение и способность выполнять более сложные задачи», – сказал Бонгард. «Мы могли бы потенциально спроектировать их не только так, чтобы сообщать об условиях в их среде, но также для изменения и исправления условий в их среде."
Ксенобот, исцели себя
«Биологические материалы, которые мы используем, обладают множеством функций, которые мы хотели бы когда-нибудь реализовать в ботах – клетки могут действовать как датчики, двигатели для движения, коммуникационные и вычислительные сети, а также записывающие устройства для хранения информации», – сказал Левин. "Ксеноботы и будущие версии биологических ботов могут делать то, с чем могут столкнуться их металлические и пластмассовые аналоги, – это выстраивать свой собственный план тела по мере роста и созревания клеток, а затем восстанавливать и восстанавливать себя, если они будут повреждены. Исцеление – это естественное свойство живых организмов, и оно сохраняется в биологии ксеноботов."
Новые ксеноботы были замечательно искусны в заживлении и могли закрыть большую часть тяжелых рваных ран во всю длину на половину своей толщины в течение 5 минут после травмы.
Все раненые боты смогли в конечном итоге залечить рану, восстановить свою форму и продолжить свою работу в прежнем режиме.
Еще одно преимущество биологического робота, добавляет Левин, – это метаболизм. В отличие от металлических и пластиковых роботов, клетки биологического робота могут поглощать и расщеплять химические вещества и работать как крошечные фабрики, синтезирующие и выделяющие химические вещества и белки.
Вся область синтетической биологии, которая в основном сосредоточена на перепрограммировании одноклеточных организмов для производства полезных молекул, теперь может быть использована в этих многоклеточных существах.
Как и оригинальные Xenobots, модернизированные боты могут прожить до десяти дней на своих эмбриональных запасах энергии и выполнять свои задачи без дополнительных источников энергии, но они также могут работать на полной скорости в течение многих месяцев, если их держать в «супе» из питательных веществ.
Что на самом деле хотят ученые
Интересное описание биологических ботов и того, чему мы можем научиться у них, представлено в выступлении Майкла Левина на TED.
В своем выступлении на TED профессор Левин описывает не только замечательный потенциал крошечных биологических роботов для выполнения полезных задач в окружающей среде или потенциально в терапевтических приложениях, но также указывает, что может быть самым ценным преимуществом этого исследования – использование боты, чтобы понять, как отдельные клетки собираются вместе, взаимодействуют и специализируются на создании более крупного организма, как это происходит в природе при создании лягушки или человека. Это новая модельная система, которая может стать основой регенеративной медицины.
Ксеноботы и их преемники также могут дать представление о том, как многоклеточные организмы возникли из древних одноклеточных организмов, и о происхождении обработки информации, принятия решений и познания в биологических организмах.
Признавая огромное будущее этой технологии, Университет Тафтса и Университет Вермонта учредили Институт компьютерно-проектированных организмов (ICDO), который будет официально запущен в ближайшие месяцы, который объединит ресурсы каждого университета и внешних источников для создания живых роботы со все более изощренными возможностями.