Xenobots 2.0 уже здесь и по-прежнему разрабатываются с помощью стволовых клеток лягушки

Та же команда биологов и компьютерных ученых из Университета Тафтса и Университета Вермонта, которая создала “Xenobots” в прошлом году, теперь разработала Xenobots 2.0. Прошлогодняя версия была новой, крошечной, самозаживающейся биологической машиной, созданной из клеток лягушки, и она могла ориентироваться, толкать груз и действовать как коллективная единица в некоторых случаях.

Xenobots 2.0

Новые Xenobots 2.0 – это формы жизни, которые могут собирать тело из отдельных клеток. Они не требуют мышц для движения и даже продемонстрировали запоминаемую память. По сравнению с их предыдущими аналогами, новые роботы движутся быстрее, ориентируются в еще большем количестве сред, и имеют более длительный срок службы. В то же время они могут работать вместе и заживать сами, когда повреждаются.

Новое исследование было опубликовано в Science Robotics.

С Xenobots 1.0 миллиметровые автоматизации были построены “сверху вниз”, с ручным размещением ткани и хирургической формой кожи и сердечных клеток лягушки, что обеспечивает движение. С новой версией технологии они были построены “снизу вверх”.

Стволовые клетки были взяты из эмбрионов африканской лягушки Xenopus laevis, и это позволило им собираться и расти в сфероиды. Через несколько дней клетки дифференцировались и произвели реснички, которые двигались туда и обратно или вращались определенным образом.

Эти реснички обеспечивают новые роботы своего рода “ногами”, которые позволяют им быстро передвигаться по поверхностям. В биологическом мире реснички, или крошечные волосовидные выступы, часто встречаются на слизистых поверхностях, таких как легкие. Они помогают, выталкивая чужеродный материал и патогены, но в Xenobots они обеспечивают быстрое движение.

Майкл Левин – заслуженный профессор биологии и директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса. Он является соответствующим автором исследования.

“Мы свидетели замечательной пластичности клеточных коллективов, которые строят примитивное новое ‘тело’, которое довольно отличается от их стандартного – в данном случае, лягушки – несмотря на то, что имеют совершенно нормальный геном”, – сказал Левин. “В эмбрионе лягушки клетки сотрудничают, чтобы создать головастик. Здесь, вне этого контекста, мы видим, что клетки могут перепрофилировать свое генетически закодированное оборудование, такое как реснички, для новых функций, таких как движение. Это удивительно, что клетки могут спонтанно брать на себя новые роли и создавать новые планы тела и поведения без длительных периодов эволюционного отбора для этих особенностей.”

Старший ученый Дуг Блэкстон был соавтором исследования вместе с исследовательским техником Эммой Ледерер.

“В некотором смысле Xenobots строятся подобно традиционному роботу. Только мы используем клетки и ткани вместо искусственных компонентов, чтобы построить форму и создать предсказуемое поведение”, – сказал Блэкстон. “С биологической точки зрения, этот подход помогает нам понять, как клетки общаются, когда взаимодействуют друг с другом во время развития, и как мы можем лучше контролировать эти взаимодействия.”

В Университете Вермонта ученые разрабатывали компьютерные симуляции, которые моделировали разные формы Xenobots, что помогло выявить различные поведения, которые проявлялись как в отдельных особях, так и в группах. Команда полагалась на суперкомпьютер Deep Green в центре передовых вычислений Вермонта.

Под руководством компьютерных ученых и эксперта по робототехнике Джоша Бонгарда команда создала сотни тысяч условий окружающей среды с помощью эволюционного алгоритма. Симуляции затем использовались для выявления Xenobots, которые могли работать вместе в стаях, чтобы собрать мусор в поле частиц.

Мы знаем задачу, но это совсем не очевидно – для людей – каким должен быть успешный дизайн. Вот где суперкомпьютер входит и ищет в пространстве всех возможных Xenobot-стай, чтобы найти стаю, которая делает работу лучше всего”, – говорит Бонгард. “Мы хотим, чтобы Xenobots выполняли полезную работу. Сейчас мы даем им простые задачи, но в конечном итоге мы стремимся к новому типу живого инструмента, который мог бы, например, очистить микропластики в океане или загрязнения в почве.”

Новая версия роботов быстрее и более эффективна в задачах, таких как сбор мусора, и теперь они могут покрывать большие плоские поверхности. Новый апгрейд также включает в себя возможность для Xenobot записывать информацию.

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

Запись памяти и самозаживление

Самая впечатляющая новая особенность технологии – это способность роботов записывать память, которую можно затем использовать для изменения их действий и поведения. Недавно разработанная функция памяти была протестирована, и концепция доказала, что ее можно расширить в будущем для обнаружения и записи света, присутствия радиоактивного загрязнения, химических загрязнителей и многое другое.

“Когда мы добавляем больше возможностей к роботам, мы можем использовать компьютерные симуляции, чтобы спроектировать их с более сложными поведениями и возможностью выполнять более сложные задачи”, – сказал Бонгард. “Мы потенциально можем спроектировать их не только для отчета о состоянии окружающей среды, но и для изменения и ремонта условий окружающей среды.”

Новая версия роботов также способна очень эффективно заживать сама, продемонстрировав, что они способны закрыть большинство тяжелой полной длины разрыва половину своей толщины всего за пять минут.

Новые Xenobots сохраняют способность выживать до десяти дней на эмбриональных энергетических запасах, и их задачи могут быть выполнены без дополнительных источников энергии. Если их содержать в различных питательных веществах, они могут продолжать работать на полной скорости в течение месяцев.