Xenobots 2.0 er her og udvikles stadig med frølægceller

Det samme hold af biologer og dataloger fra Tufts University og University of Vermont, der skabte “Xenobots” sidste år, har nu udviklet Xenobots 2.0. Sidste års version var nyt, små, selvhealende biologiske maskiner skabt af frølægceller, og de kunne navigere, skubbe laster og fungere som en kollektiv enhed i visse tilfælde.

Xenobots 2.0

De nye Xenobots 2.0 er levende væsener, der kan selvmontere en krop fra enkeltceller. De har ikke brug for muskler for at bevæge sig, og de har endda demonstreret en registrerbar hukommelse. I forhold til deres tidligere modeller kan de nye robotter bevæge sig hurtigere, navigere i endnu flere miljøer og har en længere levetid. Samtidig kan de stadig arbejde sammen og helbrede sig selv, når de er beskadiget.

Den nye forskning er offentliggjort i Science Robotics.

Med Xenobots 1.0 blev de millimeterstore automatiseringer konstrueret “top down”, med manuel placering af væv og kirurgisk formning af frølæghud og hjerteceller, som producerer bevægelse. Med den nye version af teknologien blev de konstrueret “bottom up”.

Stamceller blev taget fra embryoner af den afrikanske frølæg kaldet Xenopus laevis, og dette gjorde det muligt for dem at selvmontere og vokse til sfæroider. Efter nogle dage differentierede cellerne og producerede cilia, der bevægede sig frem og tilbage eller roterede på en bestemt måde.

Disse cilia giver de nye robotter en slags “ben”, der tillader dem at rejse hurtigt over flader. I den biologiske verden findes cilia, eller små hår-lignende udskud, ofte på slimhindeoverflader som lungerne. De hjælper med at skubbe fremmede materialer og patogener ud, men i Xenobots tilbyder de hurtig lokomotion.

Michael Levin er en fremragende professor i biologi og direktør for Allen Discovery Center på Tufts University. Han er den korresponderende forfatter af studiet.

“Vi er vidner til den bemærkelsesværdige plasticitet af cellulære kollektiver, der bygger en rudimentær ny ‘krop’, der er ret forskellig fra deres standard – i dette tilfælde en frølæg – på trods af at have et helt normalt genom,” sagde Levin. “I en frølæg-embryo samarbejder celler om at skabe en tadpole. Her, fjernet fra denne kontekst, ser vi, at celler kan genbruge deres genetisk kodede hardware, som cilia, til nye formål som lokomotion. Det er fantastisk, at celler kan spontant påtage sig nye roller og skabe nye kropplaner og adfærd uden lange perioder af evolutionær selektion for disse funktioner.”

Seniorforsker Doug Blackiston var med-forfatter af studiet sammen med forskningstekniker Emma Lederer.

“På en måde er Xenobots konstrueret ligesom en traditionel robot. Kun bruger vi celler og væv i stedet for kunstige komponenter til at bygge formen og skabe forudsigelig adfærd,” sagde Blackiston “På biologiens side hjælper denne tilgang os med at forstå, hvordan celler kommunikerer, mens de interagerer med hinanden under udviklingen, og hvordan vi bedst kan kontrollere disse interaktioner.”

Over på UVM udviklede forskerne computer-simulationer, der modellerede forskellige former af Xenobots, hvilket hjalp med at identificere forskellige adfærd, der blev vist i både enkeltindivider og grupper. Holdet afhængig af Deep Green-supercomputerklyngen på UVM’s Vermont Advanced Computing Core.

Ledet af computerforskere og roboteksperten Josh Bongard kom holdet med hundredtusinder af miljøbetingelser gennem brugen af en evolutionær algoritme. Simulationerne blev derefter brugt til at identificere Xenobots, der kunne arbejde sammen i sværme til at samle affald i et felt af partikler.

Vi kender opgaven, men det er slet ikke klart – for mennesker – hvordan en succesfuld design skal se ud. Det er, hvor supercomputeren kommer ind og søger over alle mulige Xenobot-sværme for at finde sværmen, der gør jobbet bedst,” siger Bongard. “Vi vil have Xenobots til at udføre nyttigt arbejde. Lige nu giver vi dem simple opgaver, men ultimativt sigter vi mod en ny type levende værktøj, der kunne f.eks. rense mikroplast i havet eller forureninger i jorden.”

De nye versioner af robotterne er hurtigere og mere effektive til opgaver som affaldssamling, og de kan nu dække store flade overflader. Den nye opgradering inkluderer også evnen for Xenobot til at optage information.

https://www.youtube.com/watch?v=g_eLsiAv8w4&feature=emb_title

Optagelse af hukommelse og selvhealing

Den mest imponerende nye funktion i teknologien er evnen for robotterne til at optage hukommelse, der derefter kan bruges til at ændre deres handlinger og adfærd. Den nyligt udviklede hukommelsesfunktion blev testet, og beviskonceptet demonstrerede, at det kunne udvides i fremtiden til at registrere lys, tilstedeværelse af radioaktiv forurening, kemiske forureninger og mere.

“Når vi tilfører flere funktioner til robotterne, kan vi bruge computersimulationerne til at designe dem med mere komplekse adfærd og evnen til at udføre mere elaborerede opgaver,” sagde Bongard. “Vi kunne potentielt designe dem ikke kun til at rapportere om forhold i deres omgivelser, men også til at ændre og reparere forhold i deres omgivelser.”

De nye versioner af robotterne er også i stand til at selvheale meget effektivt, og de demonstrerer, at de er i stand til at lukke det meste af en alvorlig fuldlængde-læsion halv deres tykkelse inden for blot fem minutter.

De nye Xenobots overtager evnen til at overleve op til ti dage på embryonale energilagre, og deres opgaver kan udføres uden yderligere energikilder. Hvis de holdes i forskellige næringsstoffer, kan de fortsætte med fuld fart i måneder.