Τα Xenobots 2.0 είναι εδώ και εξακολουθούν να αναπτύσσονται με βλαστοκύτταρα βατράχου

Η ίδια ομάδα βιολόγων και επιστημόνων υπολογιστών από το Πανεπιστήμιο Tufts και το Πανεπιστήμιο του Βερμόντ που δημιούργησαν τους “Xenobots” το προηγούμενο έτος, έχουν τώρα αναπτύξει τα Xenobots 2.0. Τα Xenobots του προηγούμενου έτους ήταν καινοτόμα, μικρά αυτοθεραπευτικά βιολογικά μηχανήματα που δημιουργήθηκαν από κύτταρα βατράχου και μπορούσαν να πλοηγηθούν, να μεταφέρουν φορτία και να ενεργούν ως μια συλλογική μονάδα σε ορισμένες περιπτώσεις.

Xenobots 2.0

Τα νέα Xenobots 2.0 είναι ζωντανοί οργανισμοί που μπορούν να αυτοσυναρμολογηθούν σε ένα σώμα από μεμονωμένα κύτταρα. Δεν απαιτούν μύες για να κινούνται και έχουν ακόμη και δείξει εγγεγραμμένη μνήμη. Σε σύγκριση με τους προηγούμενους ομόλογούς τους, τα νέα ρομπότ κινούνται γρηγορότερα, πλοηγούνται σε περισσότερα περιβάλλοντα και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Ταυτόχρονα, μπορούν ακόμη να συνεργαστούν και να θεραπεύσουν τον εαυτό τους όταν υποστούν ζημιά.

Η νέα έρευνα δημοσιεύθηκε στο Science Robotics.

Με τα Xenobots 1.0, οι αυτοματισμοί του χιλιοστού были κατασκευασμένοι “από πάνω προς τα κάτω”, με τη χειροκίνητη τοποθέτηση ιστών και τη χειρουργική διαμόρφωση του δέρματος και των καρδιακών κυττάρων του βατράχου, τα οποία παράγουν κίνηση. Με τη νέα έκδοση της τεχνολογίας, κατασκευάστηκαν “από κάτω προς τα πάνω”.

Βλαστοκύτταρα λήφθηκαν από τα έμβρυα του Αφρικανικού βατράχου Xenopus laevis και αυτό τους επέτρεψε να αυτοσυναρμολογηθούν και να μεγαλώσουν σε σφαιροειδείς μορφές. Μετά από quelques ημέρες, τα κύτταρα διαφοροποιήθηκαν και παρήγαγαν κιλίες που κινούνταν προς τα πίσω και προς τα εμπρός ή περιστρέφονταν με συγκεκριμένο τρόπο.

Αυτές οι κιλίες παρέχουν στα νέα ρομπότ ένα είδος “πόδια” που τους επιτρέπει να ταξιδεύουν γρήγορα σε επιφάνειες. Στο βιολογικό κόσμο, οι κιλίες, ή οι μικρές τριχοειδείς προεξοχές, συχνά βρίσκονται σε επιφάνειες μουκού like τους πνεύμονες. Βοηθούν推izando ξένο υλικό και παθογόνους μικροοργανισμούς, αλλά στα Xenobots, προσφέρουν γρήγορη κίνηση.

Ο Michael Levin είναι Καθηγητής Βιολογίας και διευθυντής του Allen Discovery Center στο Πανεπιστήμιο Tufts. Είναι ο συγγραφέας της μελέτης.

“Βλέπουμε την αξιοσημείωτη πλαστικότητα των κυτταρικών συλλογών, οι οποίες κατασκευάζουν ένα πρωτότυπο νέο ‘σώμα’ που είναι khá διαφορετικό από το προεπιλεγμένο – σε αυτή την περίπτωση, ένα βατράχι – παρά το γεγονός ότι έχουν ένα完全νονormal γονιδιώμα,” είπε ο Levin. “Σε ένα έμβρυο βατράχου, τα κύτταρα συνεργάζονται για να δημιουργήσουν ένα βατράχο. Εδώ, αφαιρεμένα από αυτό το контекст, βλέπουμε ότι τα κύτταρα μπορούν να επαναχρησιμοποιήσουν το γενετικά κωδικοποιημένο υλικό τους, όπως οι κιλίες, για νέες λειτουργίες όπως η κίνηση. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα κύτταρα μπορούν να αναλάβουν νέους ρόλους και να δημιουργήσουν νέους σώματος και συμπεριφορές χωρίς μακρές περιόδους εξελικτικής επιλογής για αυτά τα χαρακτηριστικά.”

Ο Senior επιστήμονας Doug Blackiston ήταν ο συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης μαζί με την ερευνητική τεχνικό Emma Lederer.

“Με κάποιον τρόπο, τα Xenobots κατασκευάζονται πολύ σαν ένα παραδοσιακό ρομπότ. Μόνο που χρησιμοποιούμε κύτταρα και ιστούς αντί για τεχνητά συστατικά για να κατασκευάσουμε το σχήμα και να δημιουργήσουμε προβλέψιμη συμπεριφορά.” είπε ο Blackiston “Στην πλευρά της βιολογίας, αυτή η προσέγγιση μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς τα κύτταρα επικοινωνούν καθώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και πώς μπορούμε να ελέγξουμε καλύτερα αυτές τις αλληλεπιδράσεις.”

Στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, οι επιστήμονες αναπτύσσουν υπολογιστικές προσομοιώσεις που μοντελοποιούν διαφορετικά σχήματα των Xenobots, οι οποίες βοηθούν στην αναγνώριση διαφορετικών συμπεριφορών που εκδηλώνονται τόσο σε ατομικό όσο και σε ομαδικό επίπεδο. Η ομάδα βασίστηκε στον siêuυπολογιστή Deep Green στο Vermont Advanced Computing Core.

Υπό την ηγεσία των επιστημόνων υπολογιστών και του ειδικού ρομποτικής Josh Bongard, η ομάδα ανέπτυξε εκατοντάδες χιλιάδες περιβαλλοντικές συνθήκες μέσω της χρήσης ενός εξελικτικού αλγορίθμου. Οι προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν για να αναγνωρίσουν τα Xenobots που μπορούσαν να συνεργαστούν σε σμήνη για να συλλέξουν σκουπίδια σε ένα πεδίο σωματιδίων.

Ξέρουμε το καθήκον, αλλά δεν είναι καθόλου σαφές – για τους ανθρώπους – τι πρέπει να μοιάζει ένα επιτυχημένο σχέδιο. Αυτό είναι το σημείο όπου ο siêuυπολογιστής έρχεται και αναζητά τον χώρο όλων των δυνατών Xenobot σμηνών για να βρει το σμήνος που κάνει την δουλειά καλύτερα,” λέει ο Bongard. “Θέλουμε τα Xenobots να κάνουν χρήσιμη δουλειά. Τώρα τους δίνουμε απλές εργασίες, αλλά τελικά στοχεύουμε σε ένα νέο είδος ζωντανού εργαλείου που θα μπορούσε, για παράδειγμα, να καθαρίσει μικροπλαστικά στο ωκεανό ή ρύπους στο έδαφος.”

Η νέα έκδοση των ρομπότ είναι ταχύτερη και πιο αποτελεσματική σε εργασίες όπως η συλλογή σκουπιδιών και μπορούν τώρα να καλύψουν μεγάλες επίπεδες επιφάνειες. Η νέα αναβάθμιση περιλαμβάνει επίσης τη δυνατότητα για το Xenobot να καταγράφει πληροφορίες.

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

Καταγραφή Μνήμης και Αυτοθεραπεία

Το πιο εντυπωσιακό νέο χαρακτηριστικό της τεχνολογίας είναι η δυνατότητα για τα ρομπότ να καταγράφουν μνήμη, η οποία μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να τροποποιήσει τις ενέργειές τους και τις συμπεριφορές τους. Η nově αναπτυγμένη λειτουργία μνήμης δοκιμάστηκε και η απόδειξη της концепції έδειξε ότι μπορεί να επεκταθεί στο μέλλον για να ανιχνεύσει και να καταγράψει φως, την παρουσία ραδιοενεργών ρυπαντών, χημικών ρυπαντών και άλλα.

“Όταν φέρουμε περισσότερες ικανότητες στα ρομπότ, μπορούμε να τα σχεδιάσουμε με πιο σύνθετες συμπεριφορές και την ικανότητα να εκτελέσουν πιο περίπλοκες εργασίες,” είπε ο Bongard. “Θα μπορούσαμε να τα σχεδιάσουμε όχι μόνο να αναφέρουν συνθήκες στο περιβάλλον τους, αλλά και να τροποποιήσουν και να επισκευάσουν συνθήκες στο περιβάλλον τους.”

Τα νέα ρομπότ είναι επίσης σε θέση να αυτοθεραπεύονται πολύ αποτελεσματικά, δείχνοντας ότι είναι ικανά να κλείσουν την πλειοψηφία μιας σοβαρής πλήρους διαρροής μήκους, μισό του πάχους τους, μέσα σε πέντε λεπτά.

Τα νέα Xenobots διατηρούν την ικανότητα να επιβιώσουν μέχρι δέκα ημέρες με ενεργειακές αποθήκες εμβρύου και οι εργασίες τους μπορούν να εκτελεστούν χωρίς πρόσθετες πηγές ενέργειας. Αν διατηρηθούν σε διάφορες διαφορετικές θρεπτικές ουσίες, μπορούν να συνεχίσουν με πλήρη ταχύτητα για μήνες.