Vědci změnili využití buněk živé žáby, aby vyvinuli prvního živého robota na světě

V tom, co je pozoruhodným křížením mezi biologickým životem a robotikou, tým vědců přepracoval živé žabí buňky a použil je k vývoji „xenobotů“. Buňky pocházejí z žabích embryí a xenoboti jsou jen milimetr široký. Jsou schopni pohybovat se směrem k cíli, případně zvednout užitečné zatížení, jako je lék pro vnitřek lidského těla, a po řezu nebo poškození se sami uzdravit. 

„Jsou to nové živé stroje,“ říká Joshua Bongard, počítačový vědec a odborník na robotiku z University of Vermont, který spoluvedl nový výzkum. "Nejsou to ani tradiční robot, ani známý druh zvířat." Je to nová třída artefaktů: živý, programovatelný organismus.“

Vědci navrhli roboty na superpočítači Univerzita Vermontua skupina biologů z Tufts University je sestavila a otestovala. 

„Dokážeme si představit mnoho užitečných aplikací těchto živých robotů, které jiné stroje nedokážou,“ říká spoluvedoucí Michael Levin, který řídí Centrum pro regenerační a vývojovou biologii v Tufts, „jako je vyhledávání nepříjemných sloučenin nebo radioaktivní kontaminace, shromažďování mikroplastů. v oceánech, cestují v tepnách, aby seškrábali plak."

Výzkum byl publikován v roce 2007 Sborník Národní akademie věd v lednu 13.

Podle týmu je to vůbec poprvé, kdy výzkum „navrhuje zcela biologické stroje od základů“.

Na superpočítačovém clusteru Deep Green v UVM's Vermont Advanced Computing Core to trvalo měsíce zpracování. Tým zahrnoval hlavního autora a doktorandského studenta Sama Kriegmana a spoléhali na evoluční algoritmus při vývoji tisíců různých návrhů pro nové formy života. 

Když byl počítač pověřen dokončením úkolu zadaného vědci, jako je lokomoce v jednom směru, neustále znovu sestavoval několik stovek simulovaných buněk do různých forem a tvarů těla. Jak programy běžely, nejúspěšnější simulované organismy byly udržovány a vylepšovány. Algoritmus běžel stokrát nezávisle a nejlepší návrhy byly vybrány k testování.

Tým v Tufts, vedený Levinem as pomocí mikrochirurga Douglase Blackistona, se pak projektu chopil. Přenesli návrhy do další fáze, kterou byl život. Tým shromáždil kmenové buňky, které byly sklizeny z embryí afrických žab, tohoto druhu Xenopus laevis. Jednotlivé buňky byly poté odděleny a ponechány inkubovat. Tým použil malé kleště a elektrodu k řezání buněk a jejich spojení pod mikroskopem do návrhů vytvořených počítačem.

Buňky byly sestaveny do zcela nových tělesných forem a začaly spolupracovat. Kožní buňky se vyvinuly do pasivnější stavby a buňky srdečního svalu byly zodpovědné za vytvoření uspořádaného pohybu vpřed podle návrhu počítače. Roboti se mohli pohybovat sami díky spontánním samoorganizačním vzorcům.

Organismy byly schopny se pohybovat koherentním způsobem a vydržely dny nebo týdny prozkoumávat jejich vodní prostředí. Spoléhali se na zásoby energie embrya, ale po převrácení na záda selhali. 

„Je to krok směrem k využití počítačem navržených organismů pro inteligentní dodávání léků,“ říká Bongard, profesor na katedře informatiky a komplexních systémů UVM.

Protože jsou xenoboti živé technologie, mají určité výhody. 

„Nevýhodou živé tkáně je, že je slabá a degraduje,“ říká Bongard. "Proto používáme ocel." Ale organismy mají za sebou 4.5 miliardy let praxe v regeneraci a trvající desetiletí. Tito xenoboti jsou plně biologicky odbouratelní,“ pokračuje. "Když po sedmi dnech skončí se svou prací, jsou to jen mrtvé kožní buňky."

Tento vývoj bude mít velké důsledky pro budoucnost. 

„Pokud má lidstvo přežít do budoucnosti, musíme lépe pochopit, jak složité vlastnosti nějakým způsobem vyplývají z jednoduchých pravidel,“ říká Levin. „Velká část vědy se zaměřuje na kontrolu nízkoúrovňových pravidel. Musíme také porozumět pravidlům na vysoké úrovni. Pokud byste chtěli mraveniště se dvěma komíny místo jednoho, jak upravíte mravence? Neměli bychom tušení."

„Myslím si, že je naprosto nezbytné, aby společnost do budoucna lépe zvládala systémy, kde je výsledek velmi složitý. Prvním krokem k tomu je prozkoumat: jak se živé systémy rozhodují, jaké by mělo být celkové chování, a jak manipulujeme s kousky, abychom dosáhli chování, které chceme?

„Tato studie je přímým příspěvkem k tomu, abychom pochopili, čeho se lidé bojí, což jsou nezamýšlené důsledky, ať už jde o rychlý nástup samořiditelných aut, změnu genových pohonů za účelem vyhlazení celých linií virů nebo mnoho dalších komplexních a autonomní systémy, které budou stále více utvářet lidskou zkušenost.“

„V životě je všechna tato vrozená kreativita,“ říká Josh Bongard z UVM. "Chceme tomu porozumět hlouběji - a jak to můžeme nasměrovat a posouvat k novým formám."