Xenobots 2.0 sind da und wurden immer noch mit Frösche-Stammzellen entwickelt

Das gleiche Team von Biologen und Computerwissenschaftlern von der Tufts University und der University of Vermont, die die “Xenobots” im letzten Jahr entwickelt haben, haben nun Xenobots 2.0 entwickelt. Die Version des letzten Jahres waren neuartige, winzige, selbstheilende biologische Maschinen, die aus Fröschezellen bestanden und die navigieren, Lasten schieben und in einigen Fällen als kollektive Einheit handeln konnten.

Xenobots 2.0

Die neuen Xenobots 2.0 sind Lebewesen, die einen Körper aus einzelnen Zellen selbst zusammenbauen können. Sie benötigen keine Muskeln, um sich zu bewegen, und sie haben sogar eine aufzeichnbare Erinnerungsfähigkeit demonstriert. Im Vergleich zu ihren Vorgängern bewegen sich die neuen Bots schneller, navigieren in noch mehr Umgebungen und haben eine längere Lebensdauer. Gleichzeitig können sie immer noch zusammenarbeiten und sich selbst heilen, wenn sie beschädigt werden.

Die neue Forschung wurde in Science Robotics veröffentlicht.

Bei den Xenobots 1.0 wurden die millimetergroßen Automaten “top down” konstruiert, mit der manuellen Platzierung von Gewebe und der chirurgischen Formung von Fröschehaut und Herz-Zellen, die Bewegung erzeugen. Bei der neuen Version der Technologie wurden sie “bottom up” konstruiert.

Stammzellen wurden aus den Embryonen des afrikanischen Frösches Xenopus laevis entnommen, und dies ermöglichte es ihnen, sich selbst zusammenzubauen und zu Sphäroiden heranzuwachsen. Nach einigen Tagen differenzierten sich die Zellen und produzierten Geißeln, die hin und her oder in einer bestimmten Weise rotierten.

Diese Geißeln bieten den neuen Bots eine Art “Beine”, die es ihnen ermöglichen, schnell über Oberflächen zu reisen. In der biologischen Welt werden Geißeln oder winzige, haarähnliche Fortsätze oft auf Schleimhäuten wie den Lungen gefunden. Sie helfen, indem sie Fremdmaterial und Pathogene herauspushen, aber bei den Xenobots bieten sie schnelle Fortbewegung.

Michael Levin ist ein Distinguished Professor of Biology und Direktor des Allen Discovery Center an der Tufts University. Er ist der entsprechende Autor der Studie.

“Wir beobachten die bemerkenswerte Plastizität von Zellkollektiven, die einen rudimentären neuen ‘Körper’ bauen, der sich deutlich von ihrem Standard – in diesem Fall einem Frosch – unterscheidet, obwohl sie ein völlig normales Genom haben”, sagte Levin. “In einem Froschembryo arbeiten Zellen zusammen, um einen Kaulquappen zu erstellen. Hier, entfernt von diesem Kontext, sehen wir, dass Zellen ihre genetisch codierten Hardware, wie Geißeln, für neue Funktionen wie Fortbewegung umfunktionieren können. Es ist erstaunlich, dass Zellen spontan neue Rollen übernehmen und neue Körperpläne und Verhaltensweisen erstellen können, ohne lange Zeiträume der evolutionären Selektion für diese Merkmale.”

Der Senior-Wissenschaftler Doug Blackiston war Co-Erster Autor der Studie zusammen mit der Forschungs-Technikerin Emma Lederer.

“In gewisser Weise werden die Xenobots wie ein traditioneller Roboter konstruiert. Nur verwenden wir Zellen und Gewebe anstelle von künstlichen Komponenten, um die Form und das Verhalten zu erstellen”, sagte Blackiston. “Auf der Biologie-Seite hilft uns dieser Ansatz, zu verstehen, wie Zellen miteinander kommunizieren, wenn sie während der Entwicklung interagieren, und wie wir diese Interaktionen besser kontrollieren können.”

An der UVM entwickelten die Wissenschaftler Computer-Simulationen, die verschiedene Formen der Xenobots modellierten, was half, unterschiedliches Verhalten zu identifizieren, das in beiden Individuen und Gruppen auftrat. Das Team verließ sich auf den Deep-Green-Supercomputer-Cluster im Vermont Advanced Computing Core.

Unter der Leitung des Computerwissenschaftlers und Roboter-Experten Josh Bongard entwickelte das Team Hunderttausende von Umgebungsbedingungen mithilfe eines evolutionären Algorithmus. Die Simulationen wurden dann verwendet, um Xenobots zu identifizieren, die in Schwärmen zusammenarbeiten konnten, um Abfall in einem Feld von Partikeln zu sammeln.

Wir wissen, was die Aufgabe ist, aber es ist überhaupt nicht offensichtlich – für Menschen – was ein erfolgreicher Entwurf aussehen sollte. Das ist der Punkt, an dem der Supercomputer kommt und den Raum aller möglichen Xenobot-Schwärme durchsucht, um den Schwarm zu finden, der die Aufgabe am besten erfüllt”, sagt Bongard. “Wir wollen, dass die Xenobots nützliche Arbeit leisten. Im Moment geben wir ihnen einfache Aufgaben, aber letztendlich zielen wir auf ein neues Werkzeug ab, das beispielsweise Mikroplastik im Ozean oder Schadstoffe im Boden reinigen könnte.”

Die neue Version der Bots ist schneller und effizienter bei Aufgaben wie der Müllsammlung und kann jetzt große, flache Oberflächen abdecken. Die neue Aktualisierung umfasst auch die Fähigkeit des Xenobots, Informationen aufzuzeichnen.

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

Aufzeichnen von Erinnerungen und Selbstheilung

Das beeindruckendste neue Merkmal der Technologie ist die Fähigkeit der Bots, Erinnerungen aufzuzeichnen, die dann verwendet werden können, um ihre Aktionen und Verhaltensweisen zu modifizieren. Die neu entwickelte Erinnerungsfunktion wurde getestet und der Nachweis des Konzepts zeigte, dass sie in Zukunft erweitert werden könnte, um Licht, die Anwesenheit von radioaktiver Kontamination, chemischen Schadstoffen und mehr zu erkennen und aufzuzeichnen.

“Wenn wir den Bots mehr Fähigkeiten hinzufügen, können wir die Computer-Simulationen verwenden, um sie mit komplexeren Verhaltensweisen und der Fähigkeit zu entwerfen, komplexere Aufgaben auszuführen”, sagte Bongard. “Wir könnten sie potenziell so entwerfen, dass sie nicht nur Bedingungen in ihrer Umgebung melden, sondern auch Bedingungen in ihrer Umgebung modifizieren und reparieren können.”

Die neue Version der Roboter kann sich auch sehr effizient selbst heilen und demonstriert, dass sie in der Lage sind, die Mehrheit einer schweren, vollständigen Läsion halb ihrer Dicke innerhalb von nur fünf Minuten zu schließen.

Die neuen Xenobots übernehmen die Fähigkeit, bis zu zehn Tage auf embryonale Energiespeicher zu überleben, und ihre Aufgaben können ohne zusätzliche Energiequellen durchgeführt werden. Wenn sie in verschiedenen Nährstoffen aufbewahrt werden, können sie mit voller Geschwindigkeit für Monate weiterarbeiten.