Des scientifiques réutilisent des cellules de grenouille vivantes pour développer le premier robot vivant au monde

Dans ce qui est un croisement remarquable entre la vie biologique et la robotique, une équipe de scientifiques a réutilisé des cellules de grenouilles vivantes et les a utilisées pour développer des "xénobots". Les cellules provenaient d'embryons de grenouilles et les xénobots ne mesurent qu'un millimètre de large. Ils sont capables de se déplacer vers une cible, éventuellement de ramasser une charge utile telle qu'un médicament pour l'intérieur d'un corps humain et de se soigner après avoir été coupés ou endommagés. 

« Ce sont de nouvelles machines vivantes », selon Joshua Bongard, informaticien et expert en robotique à l'Université du Vermont, qui a codirigé la nouvelle recherche. « Il ne s'agit ni d'un robot traditionnel ni d'une espèce animale connue. Il s'agit d'une nouvelle classe d'artefacts : un organisme vivant et programmable. »

Les scientifiques ont conçu les bots sur un superordinateur au Université du Vermont, et un groupe de biologistes de l'Université Tufts les a assemblés et testés. 

« Nous pouvons imaginer de nombreuses applications utiles de ces robots vivants que d'autres machines ne peuvent pas faire », explique le co-directeur Michael Levin, qui dirige le Centre de biologie régénérative et du développement de Tufts, « comme la recherche de composés nocifs ou de contamination radioactive, la collecte de microplastiques dans les océans, ou le déplacement dans les artères pour gratter la plaque dentaire. »

La recherche a été publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences le janvier 13.

Selon l'équipe, c'est la première fois que la recherche "conçoit des machines entièrement biologiques à partir de zéro".

Il a fallu des mois de temps de traitement sur le cluster de supercalculateurs Deep Green du Vermont Advanced Computing Core d'UVM. L'équipe comprenait l'auteur principal et doctorant Sam Kriegman, et ils se sont appuyés sur un algorithme évolutif pour développer des milliers de conceptions différentes pour les nouvelles formes de vie. 

Lorsque l'ordinateur était chargé d'accomplir une tâche donnée par les scientifiques, comme la locomotion dans une direction, il réassemblait en continu quelques centaines de cellules simulées sous différentes formes et formes corporelles. Au fil des programmes, les organismes simulés les plus réussis ont été conservés et affinés. L'algorithme s'est exécuté indépendamment une centaine de fois et les meilleures conceptions ont été sélectionnées pour les tests.

L'équipe de Tufts, dirigée par Levin et avec l'aide du microchirurgien Douglas Blackiston, a ensuite repris le projet. Ils ont transféré les conceptions à l'étape suivante, qui était la vie. L'équipe a rassemblé des cellules souches qui ont été récoltées à partir d'embryons de grenouilles africaines, l'espèce Xenopus laevis. Les cellules individuelles ont ensuite été séparées et laissées à incuber. L'équipe a utilisé de minuscules forceps et une électrode pour couper les cellules et les joindre sous un microscope dans les conceptions créées par l'ordinateur.

Les cellules ont été assemblées pour former de nouvelles formes corporelles et ont commencé à travailler ensemble. Les cellules cutanées ont évolué vers une structure plus passive, tandis que les cellules du muscle cardiaque ont créé un mouvement ordonné vers l'avant, guidé par la conception informatique. Les robots ont pu se déplacer seuls grâce à des schémas d'auto-organisation spontanés.

Les organismes étaient capables de se déplacer de manière cohérente, et ils ont passé des jours ou des semaines à explorer leur environnement aquatique. Ils comptaient sur des réserves d'énergie embryonnaires, mais ils échouaient une fois retournés sur le dos. 

« C'est un pas en avant vers l'utilisation d'organismes conçus par ordinateur pour l'administration intelligente de médicaments », explique Bongard, professeur au Département d'informatique et au Centre des systèmes complexes de l'UVM.

Étant donné que les xénobots sont des technologies vivantes, ils présentent certains avantages. 

« L'inconvénient des tissus vivants, c'est qu'ils sont fragiles et se dégradent », explique Bongard. « C'est pourquoi nous utilisons de l'acier. Or, les organismes ont 4.5 milliards d'années d'expérience pour se régénérer, et ce, pendant des décennies. Ces xénobots sont entièrement biodégradables », poursuit-il. « Une fois leur travail terminé, au bout de sept jours, ils ne sont plus que des cellules mortes. »

Ces développements auront de grandes implications pour l'avenir. 

« Si l'humanité veut survivre, nous devons mieux comprendre comment des propriétés complexes émergent de règles simples », explique Levin. « Une grande partie de la science se concentre sur le contrôle des règles de bas niveau. Nous devons également comprendre les règles de haut niveau. Si l'on voulait une fourmilière avec deux cheminées au lieu d'une, comment modifier les fourmis ? Nous n'en aurions aucune idée. »

Je pense qu'il est absolument nécessaire pour la société d'évoluer et de mieux appréhender les systèmes dont les résultats sont très complexes. Une première étape consiste à explorer comment les systèmes vivants déterminent un comportement global et comment nous en manipulons les composantes pour obtenir les comportements souhaités.

"Cette étude est une contribution directe à la compréhension de ce dont les gens ont peur, à savoir les conséquences imprévues, que ce soit dans l'arrivée rapide des voitures autonomes, la modification des forçages génétiques pour éliminer des lignées entières de virus, ou les nombreux autres complexes et des systèmes autonomes qui façonneront de plus en plus l'expérience humaine.

«Il y a toute cette créativité innée dans la vie», déclare Josh Bongard de l'UVM. «Nous voulons comprendre cela plus profondément - et comment nous pouvons l'orienter et le pousser vers de nouvelles formes.»