Xenobots 2.0 er her og fortsatt utviklet med frosk stamceller

Det samme teamet av biologer og datavitenskapsmenn fra Tufts University og University of Vermont som skapte “Xenobots” i fjor, har nå utviklet Xenobots 2.0. Fjorårets versjon var nyskapende, små selvhealende biologiske maskiner skapt fra froskceller, og de kunne navigere, skyve last og fungere som en kollektiv enhet i noen tilfeller.

Xenobots 2.0

De nye Xenobots 2.0 er livsformer som kan selvmontere en kropp fra enkeltceller. De trenger ikke muskler for å bevege seg, og de har også demonstrert merkbar minne. I sammenligning med deres tidligere motstykker, beveger de nye botene seg raskere, navigerer i enda flere miljøer og har lengre levetid. Samtidig kan de fortsatt arbeide sammen og helbrede seg selv når de blir skadet.

Den nye forskningen ble publisert i Science Robotics.

Med Xenobots 1.0, ble de millimeterstore automatiseringene konstruert “topp ned”, med manuell plassering av vev og kirurgisk formning av froskskinn og hjerteceller, som produserer bevegelse. Med den nye versjonen av teknologien, ble de konstruert “bunn opp”.

Stamceller ble tatt fra embryoene til den afrikanske frosken Xenopus laevis, og dette gjorde det mulig for dem å selvmontere og vokse til sfærer. Etter noen dager, differensiert cellene og produserte cilier som beveget seg frem og tilbake eller roterte på en bestemt måte.

Disse ciliene gir de nye botene en type “ben” som gjør det mulig for dem å reise raskt over flater. I den biologiske verden, er ciliene, eller små hårliknende utvekster, ofte funnet på slimhinner som lunger. De hjelper ved å skyve ut fremmede materialer og patogener, men i Xenobots, tilbyr de rask lokomosjon.

Michael Levin er en merittert professor i biologi og direktør for Allen Discovery Center ved Tufts University. Han er den korresponderende forfatteren av studien.

“Vi er vitne til den bemerkelsesverdige plasticiteten til cellulære kollektiver, som bygger en rudimentær ny ‘kropp’ som er ganske forskjellig fra deres standard – i dette tilfelle, en frosk – til tross for å ha et fullstendig normalt genom,” sa Levin. “I en frosk-embryo, samarbeider celler for å skape en tadpole. Her, fjernet fra denne konteksten, ser vi at celler kan omgjøre sin genetisk kodete maskinvare, som ciliene, for nye funksjoner som lokomosjon. Det er fantastisk at celler kan spontant ta på seg nye roller og skape nye kroppsplaner og atferd uten lange perioder med evolusjonær seleksjon for disse funksjonene.”

Seniorforsker Doug Blackiston var med-forfatter av studien sammen med forskningsteknikeren Emma Lederer.

“På en måte, er Xenobots konstruert mye likt en tradisjonell robot. Bare at vi bruker celler og vev i stedet for kunstige komponenter for å bygge formen og skape forutsigbar atferd.” sa Blackiston “På biologiens side, hjelper denne tilnærmingen oss med å forstå hvordan celler kommuniserer når de samhandler med hverandre under utvikling, og hvordan vi kan kontrollere disse interaksjonene bedre.”

Ved UVM, utviklet forskerne datamodeller som simulerte ulike former av Xenobots, som hjalp med å identifisere ulike atferd som ble vist i både enkeltindivider og grupper. Teamet brukte Deep Green-superdatamaskinen ved UVMs Vermont Advanced Computing Core.

Ledet av datavitenskapsmenn og roboteksperten Josh Bongard, kom teamet opp med hundredtusener av miljøforhold gjennom bruk av en evolusjonær algoritme. Simuleringene ble deretter brukt til å identifisere Xenobots som kunne arbeide sammen i sværmer for å samle opp avfall i et felt av partikler.

Vi vet oppgaven, men det er ikke alls åpenbart – for mennesker – hva en vellykket design skal se ut som. Det er der superdatamaskinen kommer inn og søker gjennom rommet av alle mulige Xenobot-sværmer for å finne sværmen som gjør jobben best,” sier Bongard. “Vi ønsker at Xenobots skal gjøre nyttig arbeid. For øyeblikket gir vi dem enkle oppgaver, men til slutt er vi rettet mot en ny type levende verktøy som kunne, for eksempel, rense opp mikroplast i havet eller forurensninger i jorden.”

Den nye versjonen av botene er raskere og mer effektive i oppgaver som søppelsamling, og de kan nå dekke store flate flater. Den nye oppgraderingen inkluderer også evnen for Xenoboten til å registrere informasjon.

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

Registrering av minne og selvhealing

Det mest imponerende nye funksjonen i teknologien er evnen for botene til å registrere minne, som kan brukes til å modifisere deres handlinger og atferd. Den nyutviklede minnefunksjonen ble testet, og beviset demonstrerte at den kunne utvides i fremtiden for å registrere lys, tilstedeværelse av radioaktiv forurensning, kjemiske forurensninger og mer.

“Når vi bringer inn flere funksjoner til botene, kan vi bruke datamodellene til å designe dem med mer komplekse atferd og evnen til å utføre mer omfattende oppgaver,” sa Bongard. “Vi kunne potensielt designe dem ikke bare til å rapportere forhold i deres miljø, men også til å modifisere og reparere forhold i deres miljø.”

Den nye versjonen av robotene er også i stand til å selvheale svært effektivt, og demonstrerer at de er i stand til å lukke majoriteten av en alvorlig full-lengde lacerasjon halv deres tykkelse innen bare fem minutter.

De nye Xenobots tar over evnen til å overleve i opp til ti dager på embryonale energilagre, og deres oppgaver kan utføres uten ekstra energikilder. Hvis de holdes i ulike næringsstoffer, kan de fortsette i full fart i måneder.