Xenobots 2.0が登場 – カエルの幹細胞で開発された新型生物ロボット

タフツ大学とバーモント大学の生物学者とコンピュータ科学者のチームが、昨年「Xenobots」を開発したチームが、Xenobots 2.0を開発しました。昨年のバージョンは、カエルの細胞から作られた新しい、小さな、自己回復可能な生物機械でした。それらはナビゲートし、ペイロードを押し、場合によっては集団として動作することができました。

Xenobots 2.0

新しいXenobots 2.0は、単細胞から体を自己集合させることができる生命体です。運動するために筋肉は必要とせず、記録可能な記憶も示しています。以前のバージョンと比較して、新しいボットはより速く移動し、より多くの環境をナビゲートし、寿命も長くなっています。同時に、それらはまだ一緒に働き、損傷したときに自己回復することができます。

新しい研究は、Science Roboticsに掲載されました。

Xenobots 1.0では、ミリメートルサイズの自動化は「上向きに」構築され、組織の手動配置とカエルの皮膚と心臓細胞の外科的成形が行われ、運動を生み出します。新しいバージョンの技術では、それらは「下向きに」構築されました。

アフリカのカエルXenopus laevisの胚から幹細胞が採取され、それらは自己集合し、球状に成長することができました。数日後、細胞は分化し、特定の方法で前後に動いたり回転したりする繊毛を生み出しました。

これらの繊毛は、新しいボットに「足」のようなものを提供し、表面を素早く移動できるようにします。生物学的には、繊毛または小さな毛のような突起は、肺のような粘液表面でよく見られます。外来物質や病原体を押し出すのに役立ちますが、Xenobotsでは、迅速な移動を提供します。

マイケル・レヴィンは、タフツ大学の生物学の著名教授であり、アレン・ディスカバリー・センターのディレクターです。彼は研究の対応著者です。

「私たちは、細胞集団の驚くべき可塑性を目撃しています。細胞は、カエルのようなデフォルトとは異なる新しい『体』を構築します。カエルの胚では、細胞は幼生を作るために協力します。ここでは、その文脈から除去された細胞は、運動のような新しい機能のために、繊毛のような遺伝子的にコードされたハードウェアを再利用できます。細胞が新しい役割を自発的に受け入れ、新しい体の計画や行動を作り出すことができることは、驚くべきことです。」とレヴィンは述べました。

シニア・サイエンティストのダグ・ブラックストンは、研究技術者のエマ・レーダーと共に、研究の共同第一著者です。

「ある意味で、Xenobotsは伝統的なロボットと同様に構築されています。ただし、人工的なコンポーネントではなく、細胞と組織を使用して形状を作成し、予測可能な行動を生み出します。」ブラックストンは述べました。「生物学の観点から、このアプローチは、細胞が発達中に互いにどのように通信するか、またそれらの相互作用をどのように制御できるかを理解するのに役立ちます。」

バーモント大学では、科学者たちは、Xenobotsのさまざまな形状をモデル化したコンピューターシミュレーションを開発しました。これにより、個々およびグループで表現されるさまざまな行動を特定することができます。チームは、バーモント大学のバーモント先端計算コアにあるDeep Greenスーパーコンピュータクラスターに依存しました。

コンピュータ科学者およびロボティクス専門家のジョシュ・ボンガードが率いるチームは、進化アルゴリズムを使用して数十万の環境条件を作成しました。シミュレーションは、粒子のフィールドでデブリを収集するために協力して動作するXenobotsを特定するために使用されました。

「私たちはタスクを知っていますが、人間にとって成功したデザインがどのようなものかは、全く明らかではありません。那はスーパーコンピュータがXenobotsのすべての可能なスウォームを検索して、仕事を最もよく行うスウォームを見つける場所です。私たちは、Xenobotsに役に立つ仕事をさせたいのです。現在、簡単なタスクを与えていますが、最終的には、海の微小プラスチックや土壌の汚染物質を除去することができる新しい種類の生物ツールを作成したいと考えています。」ボンガードは述べました。

新しいバージョンのボットは、ごみ収集などのタスクでより速く効率的です。また、大きな平面表面をカバーすることもできます。新しいアップグレードには、Xenobotsが情報を記録する機能も含まれています。

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記憶の記録と自己回復

テクノロジーの最も印象的な新機能は、ボットが記憶を記録できることです。これは、行動や動作を変更するために使用できます。新しく開発された記憶機能はテストされ、概念実証は将来、光、放射性汚染、化学汚染物質などの検出や記録を拡張できることを示しました。

「私たちがボットにさらに多くの機能を追加するにつれて、コンピューターシミュレーションを使用して、より複雑な動作やより複雑なタスクを実行するように設計することができます。」ボンガードは述べました。「私たちは、環境の状態を報告するだけでなく、環境の状態を変更または修復するように設計することができる可能性があります。」

新しいバージョンのロボットはまた、非常に効率的に自己回復できます。厚さの半分の深さの重大な全長の切断を5分以内に閉じることができることを実証しています。

新しいXenobotsは、胚のエネルギー貯蔵から最大10日間生存する能力を引き継ぎ、追加のエネルギー源なしにタスクを実行できます。さまざまな栄養素で保持されると、数ヶ月間全速力で動作し続けることができます。