Los Xenobots 2.0 ya están aquí y todavía se desarrollan con células madre de rana

El mismo equipo de biólogos y científicos informáticos de la Universidad de Tufts y la Universidad de Vermont que creó los “Xenobots” el año pasado ha desarrollado ahora los Xenobots 2.0. La versión del año pasado eran máquinas biológicas autónomas y autorreparables creadas a partir de células de rana, y podían navegar, empujar cargas y actuar como una unidad colectiva en algunos casos.

Xenobots 2.0

Los nuevos Xenobots 2.0 son formas de vida que pueden autoensamblarse a partir de células individuales. No requieren músculos para moverse, y han demostrado incluso tener memoria registrable. En comparación con sus predecesores, los nuevos robots se mueven más rápido, navegan en más entornos y tienen una vida más larga. Al mismo tiempo, pueden trabajar juntos y curarse a sí mismos cuando están dañados.

La nueva investigación se publicó en Science Robotics.

Con los Xenobots 1.0, las automatizaciones de tamaño milimétrico se construyeron “de arriba hacia abajo”, con la colocación manual de tejido y la forma quirúrgica de la piel y las células cardiacas de la rana, lo que produce movimiento. Con la nueva versión de la tecnología, se construyeron “de abajo hacia arriba”.

Se tomaron células madre de los embriones de la rana africana llamada Xenopus laevis, y esto les permitió autoensamblarse y crecer en esferoides. Después de unos días, las células se diferenciaron y produjeron cilios que se movían hacia adelante y hacia atrás o rotaban de una manera específica.

Estos cilios proporcionan a los nuevos robots una especie de “piernas” que les permiten viajar rápidamente sobre superficies. En el mundo biológico, los cilios, o proyecciones parecidas a pelos, se encuentran a menudo en superficies mucosas como los pulmones. Ayudan empujando materiales extraños y patógenos, pero en los Xenobots, ofrecen locomoción rápida.

Michael Levin es un profesor distinguido de biología y director del Centro de Descubrimiento Allen en la Universidad de Tufts. Es el autor correspondiente del estudio.

“Estamos presenciando la notable plasticidad de los colectivos celulares, que construyen un nuevo ‘cuerpo’ rudimentario que es bastante distinto de su forma predeterminada – en este caso, una rana – a pesar de tener un genoma completamente normal”, dijo Levin. “En un embrión de rana, las células cooperan para crear un renacuajo. Aquí, fuera de ese contexto, vemos que las células pueden reapropiar su hardware genéticamente codificado, como los cilios, para nuevas funciones como la locomoción. Es asombroso que las células puedan asumir espontáneamente nuevos roles y crear nuevos planes y comportamientos corporales sin largos períodos de selección evolutiva para esas características”.

El científico senior Doug Blackiston fue coautor principal del estudio junto con la técnica de investigación Emma Lederer.

“De alguna manera, los Xenobots se construyen mucho como un robot tradicional. Solo que usamos células y tejidos en lugar de componentes artificiales para construir la forma y crear un comportamiento predecible”, dijo Blackiston. “En el lado biológico, este enfoque nos está ayudando a entender cómo las células se comunican entre sí mientras interactúan durante el desarrollo, y cómo podríamos controlar mejor esas interacciones”.

En la Universidad de Vermont, los científicos estaban desarrollando simulaciones por computadora que modelaban diferentes formas de los Xenobots, lo que ayudó a identificar diferentes comportamientos que se exhibían en individuos y grupos. El equipo confió en el clúster de supercomputadora Deep Green en el núcleo de computación avanzada de Vermont.

Dirigidos por científicos informáticos y expertos en robótica como Josh Bongard, el equipo creó cientos de miles de condiciones ambientales mediante el uso de un algoritmo evolutivo. Las simulaciones se utilizaron para identificar Xenobots que podrían trabajar juntos en enjambres para recoger escombros en un campo de partículas.

Sabemos la tarea, pero no es en absoluto obvio – para las personas – qué debería parecer un diseño exitoso. Es ahí donde entra en juego la supercomputadora y busca en el espacio de todos los enjambres de Xenobots posibles para encontrar el enjambre que hace el trabajo mejor”, dice Bongard. “Queremos que los Xenobots hagan un trabajo útil. Ahora mismo les estamos dando tareas simples, pero en última instancia estamos apuntando a una nueva herramienta viva que podría, por ejemplo, limpiar microplásticos en el océano o contaminantes en el suelo”.

La nueva versión de los robots es más rápida y eficiente en tareas como la recolección de basura, y ahora pueden cubrir grandes superficies planas. La nueva actualización también incluye la capacidad de que el Xenobot registre información.

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Registro de memoria y auto-curación

La característica más impresionante de la nueva tecnología es la capacidad de los robots para registrar memoria, que luego se puede utilizar para modificar sus acciones y comportamientos. La función de memoria recién desarrollada se probó y la demostración de concepto mostró que se podría extender en el futuro para detectar y registrar luz, la presencia de contaminación radioactiva, contaminantes químicos y más.

“Cuando traemos más capacidades a los robots, podemos utilizar las simulaciones por computadora para diseñarlos con comportamientos más complejos y la capacidad de realizar tareas más elaboradas”, dijo Bongard. “Podríamos diseñarlos potencialmente no solo para informar condiciones en su entorno, sino también para modificar y reparar condiciones en su entorno”.

La nueva versión de los robots también es capaz de auto-curarse muy eficientemente, demostrando que pueden cerrar la mayoría de una laceración grave de longitud completa en su grosor en solo cinco minutos.

Los nuevos Xenobots conservan la capacidad de sobrevivir hasta diez días con las reservas de energía embrionaria, y sus tareas se pueden realizar sin fuentes de energía adicionales. Si se mantienen en diferentes nutrientes, pueden continuar a toda velocidad durante meses.