Ilmuwan Menggunakan Sel Kodok Hidup untuk Mengembangkan Robot Hidup Pertama di Dunia

Dalam sebuah pencapaian yang luar biasa antara kehidupan biologis dan robotika, tim ilmuwan telah menggunakan sel kodok hidup dan menggunakannya untuk mengembangkan “xenobots.” Sel-sel ini berasal dari embrio kodok, dan xenobots hanya memiliki lebar sekitar satu milimeter. Mereka mampu bergerak menuju target, mungkin mengambil muatan seperti obat untuk bagian dalam tubuh manusia, dan menyembuhkan diri setelah dipotong atau rusak.

“Ini adalah mesin hidup yang baru,” menurut Joshua Bongard, seorang ilmuwan komputer dan ahli robotika di Universitas Vermont yang memimpin penelitian baru ini. “Mereka bukanlah robot tradisional atau spesies hewan yang dikenal. Ini adalah kelas baru artefak: organisme hidup yang dapat diprogram.”

Ilmuwan merancang bot ini pada superkomputer di Universitas Vermont, dan sekelompok biolog di Universitas Tufts merakit dan mengujinya.

“Kami dapat membayangkan banyak aplikasi yang berguna dari robot hidup ini yang tidak dapat dilakukan oleh mesin lain,” kata pemimpin bersama Michael Levin yang mengarahkan Pusat Biologi Regeneratif dan Pengembangan di Tufts, “seperti mencari senyawa berbahaya atau kontaminasi radioaktif, mengumpulkan mikroplastik di lautan, bepergian di arteri untuk mengikis plak.”

Penelitian ini diterbitkan di Proceedings of the National Academy of Sciences pada 13 Januari.

Menurut tim, ini adalah pertama kalinya penelitian “merancang mesin biologis sepenuhnya dari awal.”

Hal ini membutuhkan waktu pemrosesan beberapa bulan pada klaster superkomputer Deep Green di Vermont Advanced Computing Core UVM. Tim ini termasuk penulis utama dan mahasiswa doktor Sam Kriegman, dan mereka mengandalkan algoritma evolusioner untuk mengembangkan ribuan desain yang berbeda untuk bentuk kehidupan baru ini.

Ketika komputer diberi tugas untuk menyelesaikan tugas yang diberikan oleh ilmuwan, seperti lokomosi dalam satu arah, komputer akan terus-menerus merakit kembali beberapa ratus sel yang disimulasikan menjadi bentuk dan tubuh yang berbeda. Saat program berjalan, organisme yang paling sukses disimulasikan dipertahankan dan diperhalus. Algoritma berjalan secara independen seratus kali, dan desain terbaik dipilih untuk diuji.

Tim di Tufts, dipimpin oleh Levin dan dengan bantuan mikrooperator Douglas Blackiston, kemudian mengambil alih proyek. Mereka memindahkan desain ke tahap berikutnya, yaitu kehidupan. Tim mengumpulkan sel stem yang diambil dari embrio kodok Afrika, spesies Xenopus laevis. Sel tunggal kemudian dipisahkan dan dibiarkan untuk diinkubasi. Tim menggunakan forceps kecil dan elektroda untuk memotong sel dan menggabungkannya di bawah mikroskop menjadi desain yang dibuat oleh komputer.

Sel-sel ini dirakit menjadi bentuk tubuh yang benar-benar baru, dan mereka mulai bekerja sama. Sel kulit berkembang menjadi struktur yang lebih pasif dan sel otot jantung bertanggung jawab untuk menciptakan gerakan maju yang teratur seperti yang dipandu oleh desain komputer. Robot ini dapat bergerak dengan sendirinya karena pola self-organizing yang spontan.

Organisme ini mampu bergerak dengan cara yang koheren, dan mereka bertahan selama beberapa hari atau minggu menjelajahi lingkungan air mereka. Mereka mengandalkan cadangan energi embrio, tetapi mereka gagal ketika dibalik ke belakang.

“Ini adalah langkah menuju penggunaan organisme yang dirancang komputer untuk pengiriman obat yang cerdas,” kata Bongard, seorang profesor di Departemen Ilmu Komputer dan Pusat Sistem Kompleks UVM.

Karena xenobots adalah teknologi hidup, mereka memiliki beberapa kelebihan.

“Kekurangan jaringan hidup adalah bahwa itu lemah dan memburuk,” kata Bongard. “Itulah mengapa kita menggunakan baja. Tetapi organisme memiliki 4,5 miliar tahun pengalaman dalam regenerasi diri dan bertahan selama beberapa dekade. Xenobots ini sepenuhnya dapat didegradasi biologis,” ia melanjutkan. “Ketika mereka selesai dengan tugas mereka setelah tujuh hari, mereka hanya menjadi sel kulit mati.”

Pengembangan ini akan memiliki implikasi besar untuk masa depan.

“Jika umat manusia ingin bertahan di masa depan, kita perlu memahami lebih baik bagaimana sifat yang kompleks muncul dari aturan yang sederhana,” kata Levin. “Banyak ilmu pengetahuan yang fokus pada mengontrol aturan tingkat rendah. Kita juga perlu memahami aturan tingkat tinggi. Jika Anda ingin sebuah gundukan semut dengan dua cerobong asap bukan satu, bagaimana Anda memodifikasi semut-semut itu? Kita tidak akan tahu.”

“Saya pikir ini adalah kebutuhan mutlak bagi masyarakat untuk melangkah maju untuk mendapatkan pegangan yang lebih baik pada sistem di mana hasilnya sangat kompleks. Langkah pertama untuk melakukan itu adalah untuk menjelajahi: bagaimana sistem hidup memutuskan apa yang seharusnya menjadi perilaku keseluruhan dan bagaimana kita memanipulasi bagian-bagian untuk mendapatkan perilaku yang kita inginkan?”

“Penelitian ini adalah kontribusi langsung untuk mendapatkan pegangan pada apa yang orang takutkan, yaitu konsekuensi yang tidak diinginkan, apakah dalam kedatangan cepat mobil self-driving, mengubah gen drive untuk menghapus garis keturunan virus, atau banyak sistem kompleks dan otonom lainnya yang akan semakin membentuk pengalaman manusia.”

“Ada semua kreativitas bawaan dalam kehidupan,” kata UVM’s Josh Bongard. “Kita ingin memahami itu lebih dalam — dan bagaimana kita dapat mengarahkan dan mendorongnya menuju bentuk baru.”