Videnskabsmænd genbruger levende frøceller til at udvikle verdens første levende robot

I et bemærkelsesværdigt kryds mellem biologisk liv og robotteknologi har et hold af videnskabsmænd genbrugt levende frøceller og brugt dem til at udvikle “xenobots”. Cellene kom fra frøembryoner, og xenobotterne er kun en millimeter brede. De er i stand til at bevæge sig mod et mål, muligvis samle en last som medicin til indersiden af et menneskekrop, og helbrede sig selv efter at være skåret eller beskadiget.

“Disse er nye levende maskiner,” ifølge Joshua Bongard, en computervidenskabsmand og robotekspert ved University of Vermont, der ledede den nye forskning. “De er hverken en traditionel robot eller en kendt art af dyr. Det er en ny klasse af artefakter: en levende, programmerbar organisme.”

Videnskabsmændene designede robotterne på en supercomputer på University of Vermont, og en gruppe biologer ved Tufts University samlede og testede dem.

“Vi kan forestille os mange nyttige anvendelser af disse levende robotter, som andre maskiner ikke kan gøre,” siger medleder Michael Levin, der leder Center for Regenerativ og Udviklingsbiologi ved Tufts, “som at lede efter skadelige stoffer eller radioaktiv forurening, samle mikroplast i havene, rejse i arterier for at skrabe ud plak.”

Forskningen blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences den 13. januar.

Ifølge holdet er dette den første gang, at forskning “designer helt biologiske maskiner fra bunden og op”.

Det tog måneder med proces tid på Deep Green-supercomputerklusteret ved UVM’s Vermont Advanced Computing Core. Holdet inkluderede lead author og ph.d.-studerende Sam Kriegman, og de afhængige af en evolutionær algoritme til at udvikle tusinder af forskellige designs for de nye livsformer.

Når computeren blev bedt om at fuldføre en opgave givet af videnskabsmændene, som fx lokomotion i en retning, ville den kontinuerligt gensamle nogle hundred simulerede celler i forskellige former og kroppe. Da programmerne kørte, blev de mest succesfulde simulerede organismer beholdt og forfinet. Algoritmen kørte uafhængigt hundred gange, og de bedste designs blev valgt til test.

Holdet ved Tufts, ledet af Levin og med hjælp af mikrokirurgen Douglas Blackiston, tog derefter projektet op. De overførte designene til næste fase, som var liv. Holdet samlede stamceller, der blev høstet fra embryoner af afrikanske frø, arten Xenopus laevis. Enkeltceller blev derefter adskilt og ladet inkubere. Holdet brugte små pincetter og en elektrode til at skære cellerne og samle dem under et mikroskop i designene skabt af computeren.

Cellerne blev samlet i helt nye kroppeformer, og de begyndte at arbejde sammen. Hudcellerne udviklede sig til en mere passiv bygning, og hjertemuskelcellerne var ansvarlige for at skabe ordnet fremadgående bevægelse, som vejledt af computerens design. Robotterne kunne bevæge sig på egen hånd på grund af de spontane selvorganiserende mønstre.

Organismerne var i stand til at bevæge sig på en koherent måde, og de varede i dage eller uger med at udforske deres vandige miljø. De afhængige af embryonale energilagre, men de fejlede, når de blev vendt på ryggen.

“Det er et skridt mod at bruge computerdesignede organismer til intelligent lægemiddellevering,” siger Bongard, en professor ved UVM’s afdeling for datalogi og komplekse systemer.

Da xenobotterne er levende teknologier, har de visse fordele.

“Ulemperne ved levende væv er, at det er svagt og det forrådnelse,” siger Bongard. “Det er derfor, vi bruger stål. Men organismer har 4,5 milliarder års erfaring med at regenerere sig selv og fortsætte i årtier. Disse xenobots er fuldt biologisk nedbrydelige,” fortsætter han. “Når de er færdige med deres job efter syv dage, er de bare døde hudceller.”

Disse udviklinger vil have store implikationer for fremtiden.

“Hvis menneskeheden skal overleve i fremtiden, må vi bedre forstå, hvordan komplekse egenskaber på en eller anden måde opstår fra simple regler,” siger Levin. “Meget af videnskaben er fokuseret på at kontrollere de lavniveauer regler. Vi må også forstå de højniveauer regler. Hvis du ønskede en myretue med to skorstenen i stedet for en, hvordan ændrer du myrerne? Vi ville have ingen idé.”

“Jeg mener, det er en absolut nødvendighed for samfundet at få en bedre forståelse af systemer, hvor udfaldet er meget komplekst. Et første skridt mod at gøre det er at udforske: hvordan beslutter levende systemer, hvad en samlet adfærd skal være, og hvordan manipulerer vi dele til at få de adfærder, vi ønsker?”

“Denne studie er en direkte bidrag til at få en forståelse af, hvad folk er bange for, som uventede konsekvenser, enten i den hurtige ankomst af selvkørende biler, ændring af gen-drev til at udrydde hele linjer af virus, eller de mange andre komplekse og autonome systemer, der vil forme den menneskelige oplevelse i stigende grad.”

“Der er alt denne indre kreativitet i livet,” siger UVM’s Josh Bongard. “Vi vil forstå det mere dybt – og hvordan vi kan rette og skubbe det mod nye former.”