Xenobots 2.0 eru hér og enn þróaðar með froska stofnfrumum

Sama teymi líffræðinga og tölvunarfræðinga frá Tufts háskólanum og háskólanum í Vermont sem skapaði „xenobots“ á síðasta ári hafa nú þróað Xenobots 2.0. Útgáfan á síðasta ári voru nýjar, örsmáar sjálfgræðandi líffræðilegar vélar búnar til úr froskafrumum, og þær gátu siglt, ýtt á farm og virkað sem sameiginleg eining í sumum tilfellum.

Xenobots 2.0 

Nýju Xenobots 2.0 eru lífsform sem geta sjálft sett saman líkama úr stökum frumum. Þeir þurfa ekki vöðva til að hreyfa sig og þeir hafa jafnvel sýnt fram á skráanlegt minni. Í samanburði við fyrri hliðstæða þeirra hreyfast nýju vélmennin sig hraðar, vafra um enn fleiri umhverfi og hafa lengri líftíma. Á sama tíma geta þeir samt unnið saman og læknað sjálfa sig þegar þeir eru skemmdir. 

Nýja rannsóknin var birt í Science Robotics. 

Með Xenobots 1.0 voru millimetra-stærð sjálfvirkni smíðuð „að ofan og niður,“ með handvirkri staðsetningu vefja og skurðaðgerð á froskahúð og hjartafrumum, sem framkallar hreyfingu. Með nýju útgáfunni af tækninni voru þau smíðuð „neðst upp“.

Stofnfrumur voru teknar úr fósturvísum afríska frosksins sem kallast Xenopus laevis og það gerði þeim kleift að setja sig saman og vaxa í kúlur. Eftir nokkra daga aðgreindust frumurnar og mynduðu cilia sem hreyfðust fram og til baka eða snérust á ákveðinn hátt.

Þessar cilia veita nýju bottunum tegund af „fótum“ sem gerir þeim kleift að ferðast hratt yfir yfirborð. Í líffræðilegum heimi finnast cilia, eða örlítið hárlík útskot, oft á slímhúð eins og lungum. Þeir hjálpa til með því að ýta út aðskotaefnum og sýkla, en í Xenobots bjóða þeir upp á hraða hreyfingu.

Michael Levin er virtur prófessor í líffræði og forstöðumaður Allen Discovery Center við Tufts háskólann. Hann er samsvarandi höfundur rannsóknarinnar.

„Við erum að verða vitni að ótrúlegri mýkt frumuhópa, sem byggja upp frumstæðan nýjan „líkama“ sem er alveg frábrugðin sjálfgefnu - í þessu tilviki froskur - þrátt fyrir að vera með fullkomlega eðlilegt erfðamengi,“ sagði Levin. „Í froskafósturvísi vinna frumur saman að því að búa til tarfa. Hér, fjarlægt úr því samhengi, sjáum við að frumur geta endurnýtt erfðakóðaðan vélbúnað sinn, eins og cilia, fyrir nýjar aðgerðir eins og hreyfingar. Það er ótrúlegt að frumur geti sjálfkrafa tekið að sér ný hlutverk og búið til nýjar líkamsáætlanir og hegðun án langvarandi þróunarvals fyrir þá eiginleika.

Háttsettur vísindamaður Doug Blackiston var annar höfundur rannsóknarinnar ásamt rannsóknartækninni Emma Lederer. 

„Á vissan hátt eru Xenobotarnir smíðaðir svipað og hefðbundið vélmenni. Aðeins við notum frumur og vefi frekar en gervihluta til að byggja upp lögunina og skapa fyrirsjáanlega hegðun.“ sagði Blackiston: „Að því er varðar líffræði, þá hjálpar þessi nálgun okkur að skilja hvernig frumur hafa samskipti þegar þær hafa samskipti sín á milli meðan á þróun stendur og hvernig við gætum stjórnað þessum samskiptum betur.

Á UVM voru vísindamennirnir að þróa tölvuhermingar sem líktu mismunandi formum Xenobots, sem hjálpaði til við að bera kennsl á mismunandi hegðun sem var sýnd bæði hjá einstaklingum og hópum. Liðið treysti á Deep Green ofurtölvuklasann í Vermont Advanced Computing Core UVM. 

Undir forystu tölvunarfræðinganna og vélfærafræðisérfræðingsins Josh Bongard kom teymið upp hundruð þúsunda umhverfisskilyrða með því að nota þróunaralgrím. Eftirlíkingarnar voru síðan notaðar til að bera kennsl á Xenobots sem gátu unnið saman í kvikum til að safna rusli á akursvæði.

Við þekkjum verkefnið, en það er alls ekki augljóst - fyrir fólk - hvernig vel heppnuð hönnun ætti að líta út. Það er þar sem ofurtölvan kemur inn og leitar yfir rými allra mögulegra Xenobot-sveima til að finna kvik sem vinnur best,“ segir Bongard. „Við viljum að Xenobots vinni gagnlegt starf. Núna erum við að gefa þeim einföld verkefni, en á endanum stefnum við að nýrri tegund af lifandi tóli sem gæti til dæmis hreinsað upp örplast í sjónum eða aðskotaefni í jarðvegi.“

Nýja útgáfan af vélmennunum er hraðari og skilvirkari við verkefni eins og sorphirðu og geta nú þekja stóra flata fleti. Nýja uppfærslan felur einnig í sér möguleika Xenobot til að skrá upplýsingar.

Upptaka minni og sjálfsheilun

Glæsilegasti nýr eiginleiki tækninnar er hæfileikinn fyrir vélmennina til að skrá minni, sem síðan er hægt að nota til að breyta aðgerðum þess og hegðun. Nýlega þróað minnisaðgerðin var prófuð og sönnunin fyrir hugmyndinni sýndi fram á að hægt væri að útvíkka hana í framtíðinni til að greina og skrá ljós, tilvist geislavirkrar mengunar, efnamengun og fleira. 

„Þegar við færum inn meiri getu til vélmennanna getum við notað tölvuhermurnar til að hanna þær með flóknari hegðun og getu til að framkvæma flóknari verkefni,“ sagði Bongard. „Við gætum hugsanlega hannað þau til að tilkynna um aðstæður í umhverfi sínu heldur einnig til að breyta og gera við aðstæður í umhverfi sínu.

Nýja útgáfan af vélmennunum er einnig fær um að lækna sjálfan sig á mjög skilvirkan hátt, sem sýnir að þau eru fær um að loka meirihluta alvarlegra skurðar í fullri lengd helmingi þykkt þeirra á aðeins fimm mínútum.

Nýju Xenobotarnir bera yfir getu til að lifa allt að tíu daga á fósturvísaorkubirgðum og hægt er að framkvæma verkefni þeirra án viðbótarorkugjafa. Ef þau eru geymd í ýmsum mismunandi næringarefnum geta þau haldið áfram á fullum hraða í marga mánuði.