Xenobots 2.0 zijn er en worden nog steeds ontwikkeld met kikkerstamcellen

Hetzelfde team van biologen en computerwetenschappers van Tufts University en de University of Vermont dat de “xenobots” hebben vorig jaar nu Xenobots 2.0 ontwikkeld. De versie van vorig jaar waren nieuwe, kleine zelfherstellende biologische machines gemaakt van kikkercellen, en ze konden navigeren, ladingen voortduwen en in sommige gevallen als een collectieve eenheid fungeren.

Xenobots 2.0 

De nieuwe Xenobots 2.0 zijn levensvormen die zelf een lichaam kunnen samenstellen uit enkele cellen. Ze hebben geen spieren nodig om te bewegen en ze hebben zelfs aangetoond dat ze een opneembaar geheugen hebben. In vergelijking met hun vorige tegenhangers bewegen de nieuwe bots sneller, navigeren ze door nog meer omgevingen en hebben ze een langere levensduur. Tegelijkertijd kunnen ze nog steeds samenwerken en zichzelf genezen als ze beschadigd zijn. 

Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in Science Robotics. 

Met de Xenobots 1.0 werden de automatiseringen ter grootte van een millimeter "van boven naar beneden" geconstrueerd, met handmatige plaatsing van weefsel en chirurgische vormgeving van kikkerhuid en hartcellen, die beweging produceren. Met de nieuwe versie van de technologie werden ze 'bottom-up' gebouwd.

Stamcellen werden genomen uit de embryo's van de Afrikaanse kikker genaamd Xenopus laevis, en hierdoor konden ze zichzelf assembleren en uitgroeien tot sferoïden. Na een paar dagen differentieerden de cellen en produceerden trilharen die heen en weer bewogen of op een specifieke manier roteerden.

Deze cilia voorzien de nieuwe bots van een soort "benen" waarmee ze snel over oppervlakken kunnen reizen. In de biologische wereld worden cilia of kleine haarachtige uitsteeksels vaak aangetroffen op slijmvliezen zoals de longen. Ze helpen door vreemd materiaal en ziekteverwekkers te verdrijven, maar in de Xenobots zorgen ze voor snelle voortbeweging.

Michael Levin is een Distinguished Professor of Biology en directeur van het Allen Discovery Center aan de Tufts University. Hij is de corresponderende auteur van de studie.

"We zijn getuige van de opmerkelijke plasticiteit van cellulaire collectieven, die een rudimentair nieuw 'lichaam' bouwen dat heel anders is dan hun standaard - in dit geval een kikker - ondanks dat ze een volledig normaal genoom hebben," zei Levin. “In een kikkerembryo werken cellen samen om een ​​kikkervisje te creëren. Hier, los van die context, zien we dat cellen hun genetisch gecodeerde hardware, zoals cilia, kunnen hergebruiken voor nieuwe functies zoals voortbeweging. Het is verbazingwekkend dat cellen spontaan nieuwe rollen kunnen aannemen en nieuwe lichaamsplannen en gedragingen kunnen creëren zonder lange perioden van evolutionaire selectie voor die kenmerken.”

Senior wetenschapper Doug Blackiston was co-eerste auteur van de studie samen met onderzoekstechnicus Emma Lederer. 

“In zekere zin zijn de Xenobots gebouwd als een traditionele robot. Alleen gebruiken we cellen en weefsels in plaats van kunstmatige componenten om de vorm op te bouwen en voorspelbaar gedrag te creëren.” zei Blackiston: "Wat de biologie betreft, helpt deze benadering ons te begrijpen hoe cellen communiceren terwijl ze met elkaar omgaan tijdens de ontwikkeling, en hoe we die interacties beter kunnen beheersen."

Bij UVM ontwikkelden de wetenschappers computersimulaties die verschillende vormen van de Xenobots modelleerden, die hielpen bij het identificeren van verschillend gedrag dat zowel bij individuen als bij groepen werd vertoond. Het team vertrouwde op het Deep Green-supercomputercluster in de Vermont Advanced Computing Core van UVM. 

Onder leiding van computerwetenschappers en robotica-expert Josh Bongard bedacht het team honderdduizenden omgevingscondities door gebruik te maken van een evolutionair algoritme. De simulaties werden vervolgens gebruikt om Xenobots te identificeren die in zwermen konden samenwerken om puin te verzamelen in een veld van deeltjes.

We kennen de taak, maar het is helemaal niet duidelijk - voor mensen - hoe een succesvol ontwerp eruit zou moeten zien. Dat is waar de supercomputer binnenkomt en de ruimte van alle mogelijke Xenobot-zwermen doorzoekt om de zwerm te vinden die het werk het beste doet”, zegt Bongard. “We willen dat Xenobots nuttig werk doen. Op dit moment geven we ze eenvoudige taken, maar uiteindelijk streven we naar een nieuw soort levend hulpmiddel dat bijvoorbeeld microplastics in de oceaan of verontreinigingen in de bodem kan opruimen.”

De nieuwe versie van de bots is sneller en efficiënter in taken als het ophalen van afval, en ze kunnen nu grote vlakke oppervlakken bestrijken. De nieuwe upgrade bevat ook de mogelijkheid voor de Xenobot om informatie op te nemen.

Opnamegeheugen en zelfgenezing

Het meest indrukwekkende nieuwe kenmerk van de technologie is de mogelijkheid voor de bots om geheugen vast te leggen, dat vervolgens kan worden gebruikt om zijn acties en gedragingen aan te passen. De nieuw ontwikkelde geheugenfunctie werd getest en de proof of concept toonde aan dat deze in de toekomst kan worden uitgebreid om licht, de aanwezigheid van radioactieve besmetting, chemische verontreinigende stoffen en meer te detecteren en vast te leggen. 

"Wanneer we de bots meer mogelijkheden bieden, kunnen we de computersimulaties gebruiken om ze te ontwerpen met meer complex gedrag en de mogelijkheid om meer uitgebreide taken uit te voeren", aldus Bongard. "We zouden ze mogelijk niet alleen kunnen ontwerpen om omstandigheden in hun omgeving te rapporteren, maar ook om omstandigheden in hun omgeving te wijzigen en te herstellen."

De nieuwe versie van de robots is ook in staat om zichzelf zeer efficiënt te genezen, wat aantoont dat ze in staat zijn om het grootste deel van een ernstige snijwond over de hele lengte tot de helft van hun dikte binnen slechts vijf minuten te dichten.

De nieuwe Xenobots hebben het vermogen om tot tien dagen te overleven op embryonale energievoorraden, en hun taken kunnen worden uitgevoerd zonder extra energiebronnen. Als ze in verschillende voedingsstoffen worden bewaard, kunnen ze maandenlang op volle toeren draaien.