Xenobots 2.0 zijn hier en nog steeds ontwikkeld met kikkerstamcellen

Hetzelfde team van biologen en computerwetenschappers van de Tufts University en de University of Vermont dat vorig jaar de “Xenobots” heeft gemaakt, heeft nu Xenobots 2.0 ontwikkeld. De Xenobots van vorig jaar waren novelle, kleine zelfhelende biologische machines gemaakt van kikkercellen, en ze konden navigeren, lasten duwen en soms als een collectieve eenheid optreden.

Xenobots 2.0

De nieuwe Xenobots 2.0 zijn levende wezens die een lichaam kunnen samenstellen uit enkele cellen. Ze hebben geen spieren nodig om te bewegen en hebben zelfs aantoonbare geheugenfuncties aangetoond. In vergelijking met hun voorgangers bewegen de nieuwe bots sneller, navigeren door meer omgevingen en hebben een langere levensduur. Tegelijkertijd kunnen ze nog steeds samenwerken en zichzelf genezen als ze beschadigd raken.

Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in Science Robotics.

Bij de Xenobots 1.0 werden de millimetergrote automaten “top down” gebouwd, 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 Xenopus laevis, en dit stelde hen in staat om zichzelf samen te stellen en te groeien tot sferoïden. Na een paar dagen differentieerden de cellen en produceerden ze trilharen die heen en weer bewogen of op een bepaalde manier roteerden.

Deze trilharen geven de nieuwe bots een soort “benen” die hen in staat stellen om snel over oppervlakken te reizen. In de biologische wereld worden trilharen, of kleine haarachtige uitsteeksels, vaak aangetroffen op slijmvliesoppervlakken zoals de longen. Ze helpen door vreemde materialen en pathogenen weg te duwen, maar bij de Xenobots bieden ze snelle voortbeweging.

Michael Levin is een gewaardeerd professor in de biologie en directeur van het Allen Discovery Center aan de Tufts University. Hij is de corresponderende auteur van de studie.

“We zien de opmerkelijke plasticiteit van cellulair collectief, dat een rudimentair nieuw ‘lichaam’ bouwt dat heel verschillend is van 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, buiten die context, zien we dat cellen hun genetisch gecodeerde hardware kunnen hergebruiken, zoals trilharen, 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 de mede-eerste auteur van de studie, samen met onderzoeker Emma Lederer.

“Op een manier zijn de Xenobots gebouwd zoals een traditionele robot. Alleen gebruiken we cellen en weefsel in plaats van kunstmatige componenten om de vorm te creëren en voorspelbaar gedrag te produceren”, zei Blackiston “Aan de biologische kant helpt deze aanpak ons om te begrijpen hoe cellen communiceren als ze met elkaar interacteren tijdens de ontwikkeling, en hoe we die interacties beter kunnen controleren.”

Bij de UVM ontwikkelden de wetenschappers computermodellen die verschillende vormen van de Xenobots simuleerden, wat hielp om verschillende gedragingen te identificeren die zowel bij individuen als bij groepen werden vertoond. Het team vertrouwde op de Deep Green supercomputercluster van UVM’s Vermont Advanced Computing Core.

Onder leiding van computerwetenschappers en robotica-expert Josh Bongard kwam het team met behulp van een evolutionair algoritme tot honderdduizenden omgevingscondities. De simulaties werden vervolgens gebruikt om Xenobots te identificeren die samen konden werken in zwermen om afval te verzamelen in een veld van deeltjes.

We weten wat de taak is, maar het is helemaal niet duidelijk – voor mensen – wat een succesvol ontwerp zou moeten zijn. Dat is waar de supercomputer bij komt kijken en zoekt naar de ruimte van alle mogelijke Xenobot-zwermen om de zwerm te vinden die de taak het beste uitvoert”, zegt Bongard. “We willen dat Xenobots nuttig werk doen. Op dit moment geven we hen eenvoudige taken, maar uiteindelijk mikken we op een nieuw soort levend gereedschap dat bijvoorbeeld microplastics in de oceaan of verontreinigingen in de bodem kan opruimen.”

De nieuwe versie van de bots is sneller en efficiënter bij taken zoals afvalverzameling, en ze kunnen nu grote vlakke oppervlakken bedekken. De nieuwe upgrade omvat ook de mogelijkheid voor de Xenobot om informatie op te nemen.

https://www.youtube.com/watch?v=g_eLsiAv8w4&feature=emb_title

Opname van geheugen en zelfhelende eigenschappen

De meest indrukwekkende nieuwe functie van de technologie is de mogelijkheid voor de bots om geheugen op te nemen, dat vervolgens kan worden gebruikt om hun acties en gedragingen te modificeren. De nieuw ontwikkelde geheugensfunctie werd getest en het bewijs van concept toonde aan dat het in de toekomst kan worden uitgebreid om licht, de aanwezigheid van radioactieve verontreiniging, chemische verontreinigingen en meer te detecteren en op te nemen.

“Wanneer we meer mogelijkheden toevoegen aan de bots, kunnen we de computersimulaties gebruiken om hen te ontwerpen met meer complexe gedragingen en de mogelijkheid om meer uitgebreide taken uit te voeren”, zei Bongard. “We zouden hen potentieel kunnen ontwerpen om niet alleen omstandigheden in hun omgeving te melden, maar ook om die omstandigheden te modificeren en te repareren.”

De nieuwe versie van de robots kan zich ook zeer efficiënt zelf genezen, waaruit blijkt dat ze in staat zijn om de meerderheid van een ernstige, volledige lengte van een snee, de helft van hun dikte, binnen vijf minuten te sluiten.

De nieuwe Xenobots behouden de mogelijkheid om tot tien dagen te overleven op embryonale energiereserves, en hun taken kunnen worden uitgevoerd zonder extra energiereserves. Als ze in verschillende voedingsstoffen worden gehouden, kunnen ze maandenlang op volle snelheid doorgaan.