Oamenii de știință reutilizează celulele vii de broască pentru a dezvolta primul robot viu din lume

Într-o îmbinare remarcabilă între viața biologică și robotică, o echipă de oameni de știință a reutilizat celule vii de broască și le-a folosit pentru a dezvolta “xenobots”. Celulele proveneau din embrioni de broască, iar xenobots sunt doar de un milimetru lățime. Ei sunt capabili să se deplaseze spre o țintă, să ridice o încărcătură, cum ar fi medicamente pentru interiorul corpului uman, și să se vindece singuri după ce au fost tăiați sau deteriorați.

“Acestea sunt mașini vii noi”, conform lui Joshua Bongard, un specialist în informatică și robotică de la Universitatea din Vermont, care a condus noua cercetare. “Ele nu sunt nici roboți tradiționali, nici o specie cunoscută de animale. Este o nouă clasă de artefact: un organism viu, programabil.”

Oamenii de știință au proiectat roboții pe un supercomputer de la Universitatea din Vermont, iar un grup de biologi de la Universitatea Tufts au asamblat și testat xenobots.

“Ne putem imagina multe aplicații utile ale acestor roboți vii, pe care alte mașini nu le pot face”, spune co-liderul Michael Levin, care conduce Centrul pentru Biologie Regenerativă și Dezvoltare de la Tufts, “cum ar fi căutarea compușilor nocivi sau contaminării radioactive, colectarea microplasticului din oceane, deplasarea prin artere pentru a îndepărta placa.”

Cercetarea a fost publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences pe 13 ianuarie.

Conform echipei, aceasta este prima dată când cercetarea “proiectează mașini biologice complet din temelii”.

A durat luni de timp de procesare pe clusterul de supercalculatoare Deep Green de la Vermont Advanced Computing Core. Echipa a inclus autorul principal și studentul doctoral Sam Kriegman, și s-a bazat pe un algoritm evolutiv pentru a dezvolta mii de proiecte diferite pentru noile forme de viață.

Când computerul a fost însărcinat cu finalizarea unei sarcini date de oamenii de știință, cum ar fi deplasarea într-o direcție, a reasamblat continuu câteva sute de celule simulate în forme și corpuri diferite. Pe măsură ce programele rulează, organismele simulate cele mai de succes au fost păstrate și rafinate. Algoritmul a rulat independent de o sută de ori, și cele mai bune proiecte au fost selectate pentru testare.

Echipa de la Tufts, condusă de Levin și cu ajutorul microchirurgului Douglas Blackiston, a preluat apoi proiectul. Ei au transferat proiectele în următoarea etapă, care a fost viața. Echipa a adunat celule stem care au fost recoltate din embrioni de broască africană, specia Xenopus laevis. Celulele individuale au fost separate și lăsate să incubate. Echipa a folosit forceps mici și un electrod pentru a tăia celulele și a le asambla sub microscop în proiectele create de computer.

Celulele au fost asamblate în forme corporale complet noi și au început să funcționeze împreună. Celulele pielii s-au dezvoltat într-o structură mai pasivă, iar celulele musculare cardiace au fost responsabile pentru crearea unei mișcări ordonate înainte, ghidate de proiectul computerului. Roboții au fost capabili să se deplaseze singuri datorită pattern-urilor spontane de auto-organizare.

Organismele au fost capabile să se deplaseze într-un mod coerent și au durat zile sau săptămâni explorând mediul lor acvatic. S-au bazat pe depozitele de energie embrionară, dar au eșuat odată ce au fost răsturnate pe spate.

“Este un pas către utilizarea organismelor proiectate de computer pentru livrarea inteligentă de medicamente”, spune Bongard, profesor în Departamentul de Informatică și Centrul de Sisteme Complexe de la UVM.

Deoarece xenobots sunt tehnologii vii, au anumite avantaje.

“Partea negativă a țesutului viu este că este slab și se degradează”, spune Bongard. “De aceea folosim oțel. Dar organismele au 4,5 miliarde de ani de practică în regenerarea lor și în a continua pentru decenii. Acești xenobots sunt complet biodegradabili”, continuă el. “Când și-au terminat treaba după șapte zile, sunt doar celule moarte de piele.”

Aceste dezvoltări vor avea implicații mari pentru viitor.

“Dacă omenirea va supraviețui în viitor, trebuie să înțelegem mai bine cum proprietățile complexe, cumva, apar din reguli simple”, spune Levin. “Multă parte a științei se concentrează pe controlul regulilor de nivel scăzut. Trebuie să înțelegem și regulile de nivel înalt. Dacă ai vrea o movilă cu două coșuri în loc de unul, cum modifici furnicile? Nu am nici o idee.”

“Cred că este o necesitate absolută pentru societate să obțină o mai bună înțelegere a sistemelor în care rezultatul este foarte complex. Un prim pas către a face acest lucru este să explorăm: cum decid sistemele vii ce comportament general ar trebui să aibă și cum putem manipula piesele pentru a obține comportamentele pe care le dorim?”

“Acest studiu este o contribuție directă la obținerea unei înțelegeri a ceea ce oamenii se tem, care este consecințele neintenționate, fie în sosirea rapidă a mașinilor autonome, schimbarea genelor pentru a șterge linii întregi de viruși, sau alte sisteme complexe și autonome care vor modela din ce în ce mai mult experiența umană.”

“Există o creativitate înăscută în viață”, spune UVM’s Josh Bongard. “Vrem să o înțelegem mai profund – și cum putem să o direcționăm și să o împingem spre forme noi.”