Ученые переработали живые клетки лягушки, чтобы создать первый в мире живой робот

В результате удивительного сочетания биологической жизни и робототехники команда ученых переработала живые клетки лягушки и использовала их для создания “ксеноботов”. Клетки были взяты из эмбрионов лягушки, и ксеноботы имеют размер всего один миллиметр. Они способны двигаться в направлении цели, возможно, поднять полезную нагрузку, такую как лекарство для внутренней части человеческого тела, и исцелиться после разреза или повреждения.

“Это новые живые машины”, – говорит Джошуа Бонгард, компьютерный ученый и эксперт в области робототехники в Университете Вермонта, который возглавил новое исследование. “Они не являются традиционным роботом, ни известным видом животных. Это новый класс артефактов: живой, программируемый организм”.

Ученые спроектировали роботов на суперкомпьютере в Университете Вермонта, а группа биологов в Университете Тафтса собрала и протестировала их.

“Мы можем представить многие полезные применения этих живых роботов, которые другие машины не могут сделать”, – говорит соавтор Майкл Левин, который руководит Центром регенеративной и разработочной биологии в Тафтсе, “например, поиск вредных соединений или радиоактивного загрязнения, сбор микропластика в океанах, движение по артериям для удаления бляшек”.

Исследование было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences 13 января.

По словам команды, это первый раз, когда исследование “спроектировало полностью биологические машины с нуля”.

Для этого потребовалось несколько месяцев обработки времени на суперкомпьютере Deep Green в Вермонтском центре передового вычисления Университета Вермонта. В команду входил ведущий автор и аспирант Сэм Кригман, и они полагались на эволюционный алгоритм для разработки тысяч разных дизайнов новых форм жизни.

Когда компьютеру было поручено выполнить задачу, заданную учеными, например, движение в одном направлении, он непрерывно собирал несколько сотен симулированных клеток в разные формы и тела. По мере выполнения программ сохранялись и совершенствовались наиболее успешные симулированные организмы. Алгоритм запускался независимо сто раз, и лучшие дизайны были выбраны для тестирования.

Команда в Тафтсе, возглавляемая Левином и при участии микрохирурга Дугласа Блэкстона, затем взяла на себя проект. Они перенесли дизайны в следующую стадию, которая была жизнью. Команда собрала стволовые клетки, которые были получены из эмбрионов африканских лягушек, вида Xenopus laevis. Отдельные клетки затем были разделены и оставлены для инкубации. Команда использовала крошечные пинцеты и электрод для разрезания клеток и соединения их под микроскопом в дизайны, созданные компьютером.

Клетки были собраны в совершенно новые формы тела, и они начали работать вместе. Клетки кожи развились в более пассивную структуру, а клетки сердечной мышцы были ответственны за создание упорядоченного движения вперед, как указано в дизайне компьютера. Роботы могли двигаться самостоятельно благодаря спонтанным самоорганизующимся закономерностям.

Организмы были способны двигаться в согласованном порядке, и они просуществовали несколько дней или недель, исследуя свою водную среду. Они полагались на эмбриональные энергетические запасы, но они переставали функционировать, когда их переворачивали на спину.

“Это шаг к использованию компьютерно-проектированных организмов для интеллектуальной доставки лекарств”, – говорит Бонгард, профессор кафедры компьютерных наук и центра сложных систем Университета Вермонта.

Поскольку ксеноботы являются живыми технологиями, они имеют определенные преимущества.

“Недостаток живой ткани заключается в том, что она слаба и разлагается”, – говорит Бонгард. “Именно поэтому мы используем сталь. Но организмы имеют 4,5 миллиарда лет практики регенерации себя и существования в течение десятилетий. Эти ксеноботы полностью биоразлагаемы”, – продолжает он. “Когда они выполнили свою задачу после семи дней, они просто мертвая кожа”.

Эти разработки будут иметь большие последствия для будущего.

“Если человечество хочет выжить в будущем, нам нужно лучше понять, как сложные свойства возникают из простых правил”, – говорит Левин. “Многое в науке сосредоточено на контроле низкоуровневых правил. Нам также нужно понять высокоуровневые правила. Если вы хотите муравейник с двумя дымоходами вместо одного, как вы измените муравьев? Мы не имели бы ни малейшего представления”.

“Я думаю, что это абсолютная необходимость для общества в будущем – лучше понять системы, в которых результат очень сложен. Первый шаг к этому – изучить: как живые системы решают, какое общее поведение должно быть, и как мы манипулируем частями, чтобы получить желаемое поведение?”

“Это исследование является прямым вкладом в понимание того, чего люди боятся, что является непредвиденными последствиями, будь то быстрое появление самоходных автомобилей, изменение генетических драйверов, чтобы уничтожить целые линии вирусов, или многие другие сложные и автономные системы, которые все чаще будут формировать человеческий опыт”.

“В жизни есть все это врожденное творчество”, – говорит Джош Бонгард из Университета Вермонта. “Мы хотим понять это более глубоко – и как мы можем направить и толкнуть его к новым формам”.