Les Xenobots 2.0 sont arrivés et toujours développés avec des cellules souches de grenouille

La même équipe de biologistes et de scientifiques en informatique de l’Université Tufts et de l’Université du Vermont qui a créé les « Xenobots » l’année dernière a maintenant développé les Xenobots 2.0. La version de l’année dernière était novatrice, des machines biologiques minuscules et auto-réparables créées à partir de cellules de grenouille, et elles pouvaient naviguer, pousser des charges utiles et agir comme une unité collective dans certains cas.

Xenobots 2.0

Les nouveaux Xenobots 2.0 sont des formes de vie qui peuvent s’auto-assembler en un corps à partir de cellules uniques. Ils n’ont pas besoin de muscles pour se déplacer, et ils ont même démontré une mémoire enregistrable. Par rapport à leurs prédécesseurs, les nouveaux robots se déplacent plus rapidement, naviguent dans encore plus d’environnements et ont une durée de vie plus longue. En même temps, ils peuvent toujours travailler ensemble et se soigner lorsqu’ils sont endommagés.

Les nouvelles recherches ont été publiées dans Science Robotics.

Avec les Xenobots 1.0, les automatisations de la taille d’un millimètre étaient construites « de haut en bas », avec le placement manuel de tissus et la forme chirurgicale de la peau et des cellules cardiaques de la grenouille, qui produisent le mouvement. Avec la nouvelle version de la technologie, ils ont été construits « de bas en haut ».

Des cellules souches ont été prélevées sur les embryons de la grenouille africaine appelée Xenopus laevis, et cela leur a permis de s’auto-assembler et de grandir en sphéroïdes. Au bout de quelques jours, les cellules se sont différenciées et ont produit des cils qui se déplaçaient d’avant en arrière ou tournaient de manière spécifique.

Ces cils fournissent aux nouveaux robots une sorte de « jambes » qui leur permettent de se déplacer rapidement sur les surfaces. Dans le monde biologique, les cils, ou les projections capillaires, sont souvent trouvés sur les surfaces muqueuses comme les poumons. Ils aident en éloignant les matériaux étrangers et les agents pathogènes, mais dans les Xenobots, ils offrent une locomotion rapide.

Michael Levin est un professeur distingué de biologie et directeur du Centre de découverte Allen à l’Université Tufts. Il est l’auteur correspondant de l’étude.

« Nous sommes témoins de la remarquable plasticité des collectifs cellulaires, qui construisent un nouveau « corps » rudimentaire qui est tout à fait distinct de leur défaut – dans ce cas, une grenouille – malgré avoir un génome tout à fait normal », a déclaré Levin. « Dans un embryon de grenouille, les cellules coopèrent pour créer un têtard. Ici, retirées de ce contexte, nous voyons que les cellules peuvent réaffecter leur matériel génétiquement codé, comme les cils, pour de nouvelles fonctions telles que la locomotion. Il est incroyable que les cellules puissent spontanément prendre de nouveaux rôles et créer de nouveaux plans et comportements corporels sans de longues périodes de sélection évolutive pour ces fonctionnalités. »

Le scientifique principal Doug Blackiston était co-premier auteur de l’étude avec la technicienne de recherche Emma Lederer.

« D’une certaine manière, les Xenobots sont construits comme un robot traditionnel. Seulement, nous utilisons des cellules et des tissus plutôt que des composants artificiels pour construire la forme et créer un comportement prévisible », a déclaré Blackiston. « Sur le plan biologique, cette approche nous aide à comprendre comment les cellules communiquent lorsqu’elles interagissent les unes avec les autres pendant le développement, et comment nous pourrions mieux contrôler ces interactions. »

À l’UVM, les scientifiques développaient des simulations informatiques qui modélisaient différentes formes de Xenobots, ce qui a aidé à identifier les différents comportements qui étaient présentés à la fois chez les individus et les groupes. L’équipe s’est appuyée sur le supercalculateur Deep Green du Vermont Advanced Computing Core de l’UVM.

Dirigée par les scientifiques en informatique et l’expert en robotique Josh Bongard, l’équipe a créé des centaines de milliers de conditions environnementales grâce à l’utilisation d’un algorithme évolutionnaire. Les simulations ont ensuite été utilisées pour identifier les Xenobots qui pouvaient travailler ensemble en essaims pour rassembler les débris dans un champ de particules.

Nous connaissons la tâche, mais il n’est pas du tout évident – pour les personnes – à quoi devrait ressembler un design réussi. C’est là que le supercalculateur intervient et recherche dans l’espace de tous les Xenobots possibles pour trouver l’essaim qui fait le travail le mieux », déclare Bongard. « Nous voulons que les Xenobots fassent un travail utile. Pour le moment, nous leur donnons des tâches simples, mais finalement, nous visons un nouvel outil vivant qui pourrait, par exemple, nettoyer les microplastiques dans l’océan ou les contaminants dans le sol. »

La nouvelle version des robots est plus rapide et plus efficace pour les tâches telles que la collecte de déchets, et ils peuvent maintenant couvrir de grandes surfaces plates. La nouvelle mise à niveau inclut également la capacité pour le Xenobot à enregistrer des informations.

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

Enregistrement de la mémoire et auto-réparation

La fonctionnalité la plus impressionnante de la nouvelle technologie est la capacité des robots à enregistrer des souvenirs, qui peuvent ensuite être utilisés pour modifier leurs actions et comportements. La fonction de mémoire nouvellement développée a été testée et la preuve de concept a démontré qu’elle pourrait être étendue à l’avenir pour détecter et enregistrer la lumière, la présence de contamination radioactive, les polluants chimiques et plus encore.

« Lorsque nous ajoutons davantage de capacités aux robots, nous pouvons utiliser les simulations informatiques pour les concevoir avec des comportements plus complexes et la capacité d’effectuer des tâches plus élaborées », a déclaré Bongard. « Nous pourrions potentiellement les concevoir non seulement pour signaler les conditions dans leur environnement, mais également pour modifier et réparer les conditions dans leur environnement. »

La nouvelle version des robots est également capable de s’auto-réparer très efficacement, démontrant qu’ils sont capables de fermer la majorité d’une lacération grave de la longueur totale la moitié de leur épaisseur en seulement cinq minutes.

Les nouveaux Xenobots conservent la capacité de survivre jusqu’à dix jours sur les réserves d’énergie embryonnaires, et leurs tâches peuvent être effectuées sans sources d’énergie supplémentaires. Si elles sont maintenues dans divers nutriments différents, elles peuvent continuer à plein régime pendant des mois.