Επιστήμονες ανασχεδίασαν ζωντανούς κυττάρους βατράχου για να αναπτύξουν τον πρώτο ζωντανό ρομπότ

Σε μια αξιοσημείωτη σύνθεση μεταξύ βιολογικής ζωής και ρομποτικής, μια ομάδα επιστημόνων ανασχεδίασε ζωντανούς κυττάρους βατράχου και τους χρησιμοποίησε για να αναπτύξουν “ξενο-ρομπότ”. Τα κύτταρα προέρχονταν από έμβρυα βατράχου και τα ξενο-ρομπότ έχουν μόνο ένα χιλιοστό μέτρα. Είναι ικανά να κινούνται προς ένα στόχο, πιθανόν να πάρουν ένα φορτίο, όπως φάρμακα για το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, και να θεραπεύσουν τον εαυτό τους μετά από το κόψιμο ή την ζημιά.

“Αυτά είναι νέα ζωντανά μηχανήματα,” σύμφωνα με τον Τζόσουα Μπονγκαρντ, einen επιστήμονα υπολογιστών και ειδικό ρομποτικής στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, ο οποίος ηγήθηκε της νέας έρευνας. “Δεν είναι παραδοσιακά ρομπότ ούτε γνωστά είδη ζώων. Είναι μια νέα κατηγορία αντικειμένων: ένα ζωντανό, προγραμματίσιμο όργανο.”

Οι επιστήμονες σχεδίασαν τα ρομπότ σε einen υπερυπολογιστή στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, και μια ομάδα βιολόγων στο Πανεπιστήμιο Tufts συναρμολόγησε και έ-tested τα.

“Μπορούμε να φανταστούμε πολλές χρήσιμες εφαρμογές αυτών των ζωντανών ρομπότ που άλλα μηχανήματα δεν μπορούν να κάνουν,” λέει ο συν-ηγέτης Μιχαήλ Λέβιν, ο οποίος διευθύνει το Κέντρο για την Αναγεννητική και την Αναπτυξιακή Βιολογία στο Tufts, “όπως η αναζήτηση για άσχημες ουσίες ή ραδιενεργές μολύνσεις, η συλλογή μικροπλαστικών στους ωκεανούς, η ταξίδευση στους αρτηρίες για να απομακρύνει την πλάκα.”

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στις Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών στις 13 Ιανουαρίου.

Σύμφωνα με την ομάδα, αυτή είναι η πρώτη φορά που η έρευνα “σχεδιάζει πλήρως βιολογικές μηχανές από την αρχή.”

Χρειάστηκαν μήνες επεξεργασίας χρόνου στον υπερυπολογιστή Deep Green στο Vermont Advanced Computing Core του UVM. Η ομάδα περιελάμβανε τον συγγραφέα και διδάκτορα Σαμ Κρίγκμαν, και βασίστηκαν σε einen αλγόριθμο εξέλιξης για να αναπτύξουν χιλιάδες διαφορετικά σχέδια για τα νέα ζωντανά όργανα.

Όταν ο υπολογιστής έλαβε την εντολή να ολοκληρώσει μια εργασία που δόθηκε από τους επιστήμονες, όπως η κίνηση σε μια κατεύθυνση, θα ξανασυναρμολόγωνε συνεχώς quelques εκατοντάδες προσομοιωμένα κύτταρα σε διαφορετικές μορφές και σώματα. Όσο τα προγράμματα τρέχαν, τα πιο επιτυχημένα προσομοιωμένα όργανα διατηρούνταν και βελτιώνονταν. Ο αλγόριθμος τρέχαν ανεξάρτητα εκατό φορές, και τα καλύτερα σχέδια επιλέχθηκαν για δοκιμή.

Η ομάδα στο Tufts, με επικεφαλής τον Λέβιν και με τη βοήθεια του μικροχειρουργού Ντάγκλας Μπλάκιστον, ανέλαβε το έργο. Μεταφέρθηκαν τα σχέδια στο επόμενο στάδιο, το οποίο ήταν η ζωή. Η ομάδα συλλέγει κύτταρα που είχαν συλλεγεί από τα έμβρυα των αφρικανικών βατράχων, του είδους Xenopus laevis. Μονά κυττάρα分離θηκαν και αφήθηκαν να επικυστήσουν. Η ομάδα χρησιμοποίησε μικρά πιρούνια και einen ηλεκτρόδιο για να κόψει τα κύτταρα και να τα συνδέσει υπό μικροσκόπιο στα σχέδια που δημιουργήθηκαν από τον υπολογιστή.

Τα κύτταρα συναρμολογήθηκαν σε όλα νέα σώματα και άρχισαν να λειτουργούν μαζί. Τα κύτταρα του δέρματος ανέπτυξαν μια πιο παθητική δομή και τα κύτταρα του καρδιακού μυός ήταν υπεύθυνα για τη δημιουργία τάξης προς τα εμπρός, όπως καθοδηγούσε το σχέδιο του υπολογιστή. Τα ρομπότ μπορούσαν να κινούνται μόνα τους λόγω των αυθόρμητων αυτο-οργανωμένων σχημάτων.

Τα όργανα ήταν ικανά να κινούνται με einen συνεκτικό τρόπο και διαρκούσαν ημέρες ή εβδομάδες εξερευνώντας το υδάτινο περιβάλλον τους. Εξαρτώνταν από τις ενεργειακές αποθήκες των εμβρύων, αλλά απέτυχαν όταν γυρίστηκαν ανάποδα.

“Είναι ένα βήμα προς την उपयποίηση υπολογιστή-σχεδιασμένων οργανισμών για την έξυπνη παράδοση φαρμάκων,” λέει ο Μπονγκαρντ, καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών και Συμπλεγμάτων Συστημάτων του UVM.

Εφόσον τα ξενο-ρομπότ είναι ζωντανοί τεχνολογίες, έχουν ορισμένα πλεονεκτήματα.

“Η μειονέκτημα του ζωντανού ιστού είναι ότι είναι αδύνατος και αποσύνθετος,” λέει ο Μπονγκαρντ. “Γι’ αυτό χρησιμοποιούμε ατσάλι. Αλλά τα όργανα έχουν 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια πρακτικής στην αναγέννηση του εαυτού τους και στην επιβίωση για δεκαετίες. Αυτά τα ξενο-ρομπότ είναι πλήρως βιοδιασπώμενα,” συνεχίζει. “Όταν ολοκληρώσουν την εργασία τους μετά από επτά ημέρες, είναι απλά νεκρά κύτταρα δέρματος.”

Αυτές οι εξελίξεις θα έχουν μεγάλες επιπτώσεις για το μέλλον.

“Εάν η ανθρωπότητα θα επιβιώσει στο μέλλον, πρέπει να κατανοήσουμε καλύτερα πώς οι σύνθετες ιδιότητες, κάπως, προκύπτουν από απλές κανόνες,” λέει ο Λέβιν. “ΜUCH της επιστήμης εστιάζει στον έλεγχο των κατώτερων κανόνων. Chúng tôi πρέπει επίσης να κατανοήσουμε τους ανώτερους κανόνες. Εάν θέλατε einen ανθόλο με δύο καμινάδες αντί για μία, πώς θα τροποποιήσετε τις μύγες; Δεν θα είχαμε ιδέα.”

“Νομίζω ότι είναι απόλυτη αναγκαιότητα για την κοινωνία να προχωρήσει να κατανοήσει καλύτερα τα συστήματα όπου το αποτέλεσμα είναι πολύ σύνθετο. Ένα πρώτο βήμα για να το κάνει είναι να εξερευνήσει: πώς οι ζωντανοί οργανισμοί αποφασίζουν ποια είναι η συνολική συμπεριφορά και πώς μπορούμε να χειριστούμε τα κομμάτια για να πάρουμε τις συμπεριφορές που θέλουμε;”

“Αυτή η μελέτη είναι μια άμεση συμβολή στην κατανόηση του τι φοβούνται οι άνθρωποι, το οποίο είναι οι απρόβλεπτες συνέπειες, είτε στην ταχεία άφιξη των αυτονομικών αυτοκινήτων, είτε στην αλλαγή των γονιδιακών οδηγών για να εξαφανίσουν ολόκληρες γενεαλογίες ιών, είτε στα πολλά άλλα σύνθετα και αυτόνομα συστήματα που θα διαμορφώσουν ολοένα και περισσότερο την ανθρώπινη εμπειρία.”

“Υπάρχει όλη αυτή η έμφυτη δημιουργικότητα στη ζωή,” λέει ο Τζόσουα Μπονγκαρντ. “Θέλουμε να κατανοήσουμε αυτό πιο sâu — και πώς μπορούμε να την κατευθύνουμε και να την ωθήσουμε προς νέες μορφές.”