Xenobots 2.0 są już tutaj i nadal rozwijane z komórek macierzystych żab

Ta sama grupa biologów i informatyków z Uniwersytetu Tufts i Uniwersytetu Vermont, która stworzyła “Xenobots” w zeszłym roku, opracowała teraz Xenobots 2.0. Wersja zeszłoroczna była nowatorska, drobna, samouszczelniająca się biologiczna maszyna stworzona z komórek żab, i mogła nawigować, pchać ładunki i działać jako zbiorowa jednostka w niektórych przypadkach.

Xenobots 2.0

Nowe Xenobots 2.0 to żywe organizmy, które mogą samodzielnie zbudować ciało z pojedynczych komórek. Nie wymagają mięśni, aby się poruszać, i nawet wykazały zdolność do rejestrowania pamięci. W porównaniu z poprzednimi wersjami, nowe boty poruszają się szybciej, nawigują w większej liczbie środowisk i mają dłuższy okres życia. Jednocześnie mogą nadal współpracować i samouszczelniać się, gdy są uszkodzone.

Nowe badanie zostało opublikowane w Science Robotics.

Z Xenobots 1.0, automaty o wielkości milimetra były konstruowane “od góry”, z ręcznym umieszczaniem tkanek i chirurgicznym kształtowaniem skóry i komórek serca żaby, co powodowało ruch. Z nową wersją technologii, zostały one zbudowane “od dołu”.

Komórki macierzyste zostały pobrane z zarodków afrykańskiej żaby zwanej Xenopus laevis, co umożliwiło im samodzielne zbudowanie i wzrost w postaci sfery. Po kilku dniach komórki różnicowały się i wytwarzały rzęski, które poruszały się tam i z powrotem lub obracały się w określony sposób.

Te rzęski zapewniają nowym botom rodzaj “nóg”, który umożliwia im szybkie podróżowanie po powierzchniach. W świecie biologicznym rzęski, lub drobne, włosopodobne wypustki, są często spotykane na powierzchniach śluzowych, takich jak płuca. Pomagają one przez wypychanie obcych materiałów i patogenów, ale w Xenobots, oferują one szybki lokomocję.

Michael Levin jest wybitnym profesorem biologii i dyrektorem Centrum Odkryć Allena na Uniwersytecie Tufts. Jest on odpowiedzialnym autorem badania.

“Świadkowie jesteśmy zdumiewającej plastyczności zbiorów komórkowych, które budują prymitywną nową ‘formę’, która jest dość odrębna od ich domyślnej – w tym przypadku, żaby – pomimo posiadania całkowicie normalnego genomu”, powiedział Levin. “W zarodku żaby komórki współpracują, aby stworzyć kijankę. Tutaj, pozbawione tego kontekstu, widzimy, że komórki mogą przypisać nowe funkcje swoim genetycznie zakodowanym urządzeniom, takim jak rzęski, do nowych funkcji, takich jak lokomocja. Jest to niesamowite, że komórki mogą spontanicznie przyjmować nowe role i tworzyć nowe plany ciała i zachowania bez długich okresów ewolucyjnego doboru dla tych cech.”

Starszy naukowiec Doug Blackiston był współautorem badania wraz z technikiem badawczym Emmą Lederer.

“W pewien sposób Xenobots są zbudowane podobnie do tradycyjnego robota. Tylko używamy komórek i tkanek zamiast sztucznych składników, aby zbudować kształt i stworzyć przewidywalne zachowanie”, powiedział Blackiston. “Z punktu widzenia biologii, ten podejście pomaga nam zrozumieć, jak komórki komunikują się, gdy wchodzą w interakcje ze sobą podczas rozwoju, i jak możemy lepiej kontrolować te interakcje.”

Na UVM naukowcy rozwijali symulacje komputerowe, które modelowały różne kształty Xenobots, co pomogło zidentyfikować różne zachowania, które występowały zarówno u jednostek, jak i grup. Zespół polegał na klastrze superkomputera Deep Green w Vermont Advanced Computing Core.

Pod kierownictwem informatyków i eksperta od robotyki Josha Bongarda, zespół stworzył setki tysięcy warunków środowiskowych za pomocą algorytmu ewolucyjnego. Symulacje zostały następnie wykorzystane do identyfikacji Xenobots, które mogą współpracować w stadach, aby zebrać śmieci w polu cząstek.

Wiemy, jaki jest cel, ale w ogóle nie jest to oczywiste – dla ludzi – jaki powinien być wygląd udanego projektu. To tutaj superkomputer przychodzi i przeszukuje przestrzeń wszystkich możliwych Xenobotów, aby znaleźć stado, które wykonuje zadanie najlepiej”, mówi Bongard. “Chcemy, aby Xenobots wykonywały użyteczną pracę. Na razie dajemy im proste zadania, ale ostatecznie celujemy w nowy rodzaj żywego narzędzia, które mogłoby, na przykład, oczyścić mikroplastiki w oceanie lub zanieczyszczenia w glebie.”

Nowa wersja botów jest szybsza i bardziej efektywna w zadaniach, takich jak zbieranie śmieci, i mogą teraz pokrywać duże płaskie powierzchnie. Nowa aktualizacja obejmuje również możliwość rejestracji informacji przez Xenobota.

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

Rejestracja pamięci i samouszczelnianie

Najbardziej imponującą nową funkcją technologii jest zdolność botów do rejestracji pamięci, która może być następnie wykorzystana do modyfikacji ich działań i zachowań. Nowo opracowana funkcja pamięci została przetestowana, a dowód pojęcia wykazał, że może być rozwinięta w przyszłości, aby wykryć i zarejestrować światło, obecność promieniowania radioaktywnego, zanieczyszczenia chemiczne i więcej.

“Gdy wprowadzamy więcej możliwości do botów, możemy wykorzystać symulacje komputerowe, aby zaprojektować je z bardziej złożonymi zachowaniami i możliwością wykonywania bardziej skomplikowanych zadań”, powiedział Bongard. “Moglibyśmy nawet zaprojektować je nie tylko do raportowania warunków w ich środowisku, ale także do modyfikacji i naprawy warunków w ich środowisku.”

Nowa wersja robotów jest również w stanie samouszczelniać się bardzo wydajnie, demonstrując, że są w stanie zamknąć większość ciężkiej, pełnej długości ran, sięgającej połowy ich grubości, w zaledwie pięć minut.

Nowe Xenobots przenoszą zdolność do przetrwania do dziesięciu dni na zapasach energetycznych zarodków, a ich zadania mogą być wykonywane bez dodatkowych źródeł energii. Jeśli są one utrzymywane w różnych odżywkach, mogą kontynuować pracę z pełną szybkością przez miesiące.