I Xenobots 2.0 sono arrivati e sono ancora sviluppati con cellule staminali di rana

La stessa squadra di biologi e scienziati informatici dell’Università di Tufts e dell’Università del Vermont che ha creato i ” Xenobots ” l’anno scorso ha ora sviluppato i Xenobots 2.0. La versione dell’anno scorso erano macchine biologiche autoguaribili miniature create da cellule di rana, e potevano navigare, spingere carichi e agire come un’unità collettiva in alcuni casi.

Xenobots 2.0

I nuovi Xenobots 2.0 sono forme di vita che possono autoassemblare un corpo da cellule singole. Non richiedono muscoli per muoversi e hanno anche dimostrato una memoria registrabile. Rispetto ai loro predecessori, i nuovi bot si muovono più velocemente, navigano in ambienti ancora più diversi e hanno una durata di vita più lunga. Allo stesso tempo, possono ancora lavorare insieme e guarire se stessi quando danneggiati.

La nuova ricerca è stata pubblicata su Science Robotics.

Con i Xenobots 1.0, le automazioni millimetriche erano costruite “dall’alto verso il basso”, con il posizionamento manuale del tessuto e la modellazione chirurgica della pelle e delle cellule cardiache della rana, che produce il movimento. Con la nuova versione della tecnologia, sono state costruite “dal basso verso l’alto”.

Le cellule staminali sono state prese dagli embrioni della rana africana chiamata Xenopus laevis, e ciò ha permesso loro di autoassemblarsi e crescere in sferoidi. Dopo alcuni giorni, le cellule si sono differenziate e hanno prodotto ciglia che si muovevano avanti e indietro o ruotavano in un modo specifico.

Queste ciglia forniscono ai nuovi bot un tipo di “gambe” che consente loro di viaggiare rapidamente su superfici. Nel mondo biologico, le ciglia, o piccole proiezioni simili a capelli, si trovano spesso su superfici mucose come i polmoni. Aiutano spingendo fuori materiale estraneo e patogeni, ma nei Xenobots, offrono una locomozione rapida.

Michael Levin è un professore distinto di biologia e direttore del Centro di scoperta Allen all’Università di Tufts. È l’autore corrispondente dello studio.

“Stiamo assistendo alla notevole plasticità dei collettivi cellulari, che costruiscono un nuovo ‘corpo’ rudimentale che è abbastanza diverso dal loro default – in questo caso, una rana – nonostante abbiano un genoma completamente normale”, ha detto Levin. “In un embrione di rana, le cellule cooperano per creare un girino. Qui, rimosse da quel contesto, vediamo che le cellule possono riutilizzare il loro hardware geneticamente codificato, come le ciglia, per nuove funzioni come la locomozione. È sorprendente che le cellule possano spontaneamente assumere nuovi ruoli e creare nuovi piani corporei e comportamenti senza lunghi periodi di selezione evolutiva per quelle caratteristiche”.

Il ricercatore senior Doug Blackiston è co-autore dello studio insieme al tecnico di ricerca Emma Lederer.

“In un certo senso, i Xenobots sono costruiti come un robot tradizionale. Solo che noi usiamo cellule e tessuti invece di componenti artificiali per costruire la forma e creare un comportamento prevedibile”, ha detto Blackiston “Sul lato biologico, questo approccio ci sta aiutando a capire come le cellule si comunicano mentre interagiscono l’una con l’altra durante lo sviluppo, e come potremmo controllare meglio quelle interazioni”.

All’UVM, gli scienziati stavano sviluppando simulazioni al computer che modellavano diverse forme dei Xenobots, che aiutavano a identificare diversi comportamenti esibiti sia negli individui che nei gruppi. Il team si è affidato al cluster di supercomputer Deep Green del Vermont Advanced Computing Core dell’UVM.

Guidati dal computer e dall’esperto di robotica Josh Bongard, il team ha creato centinaia di migliaia di condizioni ambientali attraverso l’uso di un algoritmo evolutivo. Le simulazioni sono state utilizzate per identificare i Xenobots che potevano lavorare insieme in sciami per raccogliere detriti in un campo di particelle.

Sappiamo il compito, ma non è affatto ovvio – per le persone – cosa dovrebbe sembrare un design di successo. È qui che entra in gioco il supercomputer e cerca nello spazio di tutti i possibili sciami di Xenobot per trovare lo sciame che fa il lavoro meglio”, dice Bongard. “Vogliamo che i Xenobots facciano lavori utili. Al momento stiamo dando loro compiti semplici, ma alla fine stiamo puntando a un nuovo tipo di strumento vivente che potrebbe, ad esempio, pulire i microplastici nell’oceano o i contaminanti nel suolo”.

La nuova versione dei bot è più veloce e più efficiente in compiti come la raccolta dei rifiuti e può ora coprire grandi superfici piatte. La nuova aggiornamento include anche la capacità per il Xenobot di registrare informazioni.

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Registrazione della memoria e auto-guarigione

La caratteristica più impressionante della nuova tecnologia è la capacità dei bot di registrare la memoria, che può quindi essere utilizzata per modificare le sue azioni e comportamenti. La nuova funzione di memoria sviluppata è stata testata e la prova del concetto ha dimostrato che potrebbe essere estesa in futuro per rilevare e registrare la luce, la presenza di contaminazione radioattiva, inquinanti chimici e altro.

“Quando portiamo più capacità ai bot, possiamo utilizzare le simulazioni al computer per progettarli con comportamenti più complessi e la capacità di eseguire compiti più elaborati”, ha detto Bongard. “Potremmo potenzialmente progettarli non solo per segnalare le condizioni nel loro ambiente, ma anche per modificare e riparare le condizioni nel loro ambiente”.

La nuova versione dei robot è anche in grado di auto-guarirsi molto efficientemente, dimostrando che sono in grado di chiudere la maggior parte di una grave lacerazione di lunghezza pari alla metà della loro spessore in soli cinque minuti.

I nuovi Xenobots mantengono la capacità di sopravvivere fino a dieci giorni con le riserve di energia embrionale e i loro compiti possono essere eseguiti senza ulteriori fonti di energia. Se vengono mantenuti in diversi nutrienti, possono continuare a piena velocità per mesi.