Scienziati ripropongono cellule di rana vive per sviluppare il primo robot vivente del mondo

In una straordinaria combinazione tra vita biologica e robotica, un team di scienziati ha riproposto cellule di rana vive e le ha utilizzate per sviluppare “xenobot”. Le cellule provenivano da embrioni di rana e gli xenobot sono larghi solo un millimetro. Sono in grado di muoversi verso un bersaglio, possibilmente raccogliere un carico come medicina all’interno del corpo umano e curarsi dopo essere stati tagliati o danneggiati.

“Queste sono macchine viventi nuove”, secondo Joshua Bongard, scienziato informatico e esperto di robotica all’Università del Vermont che ha guidato la nuova ricerca. “Non sono né un robot tradizionale né una specie di animale conosciuta. È una nuova classe di manufatto: un organismo vivente e programmabile”.

Gli scienziati hanno progettato i bot su un supercomputer all’Università del Vermont, e un gruppo di biologi all’Università Tufts li ha assemblati e testati.

“Possiamo immaginare molte applicazioni utili di questi robot viventi che altre macchine non possono fare”, dice il co-leader Michael Levin, che dirige il Centro per la biologia rigenerativa e dello sviluppo all’Università Tufts, “come cercare sostanze nocive o contaminazione radioattiva, raccogliere microplastica negli oceani, viaggiare nelle arterie per rimuovere la placca”.

La ricerca è stata pubblicata sulle Proceedings of the National Academy of Sciences il 13 gennaio.

Secondo il team, questa è la prima volta che la ricerca “progetta macchine biologiche completamente da zero”.

Ha richiesto mesi di tempo di elaborazione sul cluster di supercomputer Deep Green del Vermont Advanced Computing Core di UVM. Il team includeva l’autore principale e studente di dottorato Sam Kriegman, e si è basato su un algoritmo evolutivo per sviluppare migliaia di progetti diversi per le nuove forme di vita.

Quando il computer è stato incaricato di completare un compito assegnato dagli scienziati, come la locomozione in una direzione, ha continuamente riorganizzato alcune centinaia di cellule simulate in forme e forme di corpo diverse. Mentre i programmi venivano eseguiti, gli organismi simulati più di successo sono stati mantenuti e raffinati. L’algoritmo è stato eseguito in modo indipendente cento volte, e i migliori progetti sono stati selezionati per il test.

Il team di Tufts, guidato da Levin e con l’aiuto del microchirurgo Douglas Blackiston, ha poi preso in carico il progetto. Hanno trasferito i progetti nel prossimo stadio, che era la vita. Il team ha raccolto cellule staminali che sono state raccolte dagli embrioni di rane africane, la specie Xenopus laevis. Le cellule singole sono state poi separate e lasciate in incubazione. Il team ha utilizzato piccole pinze e un elettrodo per tagliare le cellule e unirle sotto un microscopio nei progetti creati dal computer.

Le cellule sono state assemblate in nuove forme di corpo e hanno iniziato a lavorare insieme. Le cellule della pelle si sono sviluppate in una costruzione più passiva e le cellule del muscolo cardiaco sono state responsabili della creazione di un movimento ordinato in avanti come guidato dal progetto del computer. I robot sono stati in grado di muoversi da soli a causa dei modelli di auto-organizzazione spontanea.

Gli organismi sono stati in grado di muoversi in modo coerente e sono durati giorni o settimane esplorando il loro ambiente acquatico. Si sono basati sulle riserve di energia embrionale, ma hanno fallito una volta capovolto sul dorso.

“È un passo verso l’uso di organismi progettati dal computer per la consegna di farmaci intelligente”, dice Bongard, professore nel Dipartimento di Informatica e Centro di sistemi complessi di UVM.

Poiché gli xenobot sono tecnologie viventi, hanno alcuni vantaggi.

“Il lato negativo dei tessuti viventi è che sono deboli e si degradano”, dice Bongard. “È per questo che usiamo l’acciaio. Ma gli organismi hanno 4,5 miliardi di anni di pratica nella rigenerazione di se stessi e nel proseguire per decenni. Questi xenobot sono completamente biodegradabili”, continua. “Quando hanno finito il loro lavoro dopo sette giorni, sono solo cellule della pelle morte”.

Questi sviluppi avranno grandi implicazioni per il futuro.

“Se l’umanità vuole sopravvivere nel futuro, dobbiamo capire meglio come le proprietà complesse emergono dalle regole semplici”, dice Levin. “Molta scienza si concentra sul controllo delle regole a basso livello. Dobbiamo anche capire le regole a alto livello. Se volessi un formicaio con due camini invece di uno, come modificherei le formiche? Non avremmo idea”.

“Credo che sia una necessità assoluta per la società andare avanti per ottenere una migliore comprensione dei sistemi in cui il risultato è molto complesso. Un primo passo per farlo è esplorare: come decidono i sistemi viventi quale comportamento generale debbano avere e come possiamo manipolare i pezzi per ottenere i comportamenti che vogliamo?”

“Questo studio è un contributo diretto per ottenere una presa su ciò che le persone temono, che sono le conseguenze non intenzionali, sia nell’arrivo rapido di auto a guida autonoma, nel cambiamento dei drive genetici per eliminare intere linee di virus, o negli altri sistemi complessi e autonomi che sempre più plasmeranno l’esperienza umana”.

“C’è tutta questa creatività innata nella vita”, dice Josh Bongard di UVM. “Vogliamo capirla più a fondo – e come possiamo dirigere e spingere verso nuove forme”.