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

В том, что является замечательным сочетанием биологической жизни и робототехники, команда ученых переработала живые клетки лягушки и использовала их для разработки “ксеноботов”. Клетки были взяты из эмбрионов лягушки, и ксеноботы имеют всего лишь один миллиметр в ширину. Они способны двигаться к цели, возможно, поднять полезную нагрузку, такую как лекарство для внутренней части человеческого тела, и исцелиться после того, как были разрезаны или повреждены.

“Это новые живые машины”, – говорит Джошуа Бонгард, компьютерный ученый и эксперт в области робототехники в Университете Вермонта, который совместно возглавил новое исследование. “Они не являются традиционным роботом, nor известным видом животных. Это новый класс артефакта: живой, программируемый организм.”

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

“Мы можем представить себе 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 в артериях, чтобы соскоблить бляшку”.

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

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

Для этого потребовалось несколько месяцев обработки на суперкомпьютере Deep Green в Университете Вермонта. Команда включала ведущего автора и аспиранта Сэма Кригмана, и они полагались на эволюционный алгоритм для разработки тысяч разных дизайнов новых форм жизни.

Когда компьютеру было поручено выполнить задачу, данную учеными, такую как 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 перевели дизайны в следующую стадию, которая была жизнью. Команда собрала стволовые клетки, которые были собраны из эмбрионов африканских лягушек, вида Xenopus laevis. Отдельные клетки затем были отделены 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. Кожные клетки развились в более пассивную структуру, а сердечные мышечные клетки были ответственны за создание упорядоченного движения вперед, как руководствовалось компьютерным дизайном. Роботы могли двигаться самостоятельно благодаря спонтанным самоорганизующимся закономерностям.

Организмы были способны двигаться в согласованном порядке, и они просуществовали дни или недели, исследуя свою водную среду. Они полагались на эмбриональные энергетические запасы, но они не выдерживали, когда были перевернуты на спину.

“Это шаг к использованию компьютерно-спроектированных организмов для интеллектуальной доставки лекарств”, – говорит Бонгард, профессор в Университете 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 в регенерации себя и продолжают существовать в течение десятилетий. Эти ксеноботы полностью биоразлагаемы”, – продолжает он. “Когда они выполняют 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, каким-то образом, возникают из простых правил”, – говорит Левин. “Многое из науки сосредоточено на контроле низкоуровневых правил. Нам также нужно понять высокоуровневые правила. Если вы хотели бы иметь муравейник с двумя дымоходами вместо одного, как вы модифицируете муравьев? Мы не имели бы ни малейшего представления”.

“Я думаю, что это абсолютная необходимость для общества в будущем – лучше понять системы, где 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 прибытие самоходных автомобилей, изменение генетических приводов, 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”.