Znanstveniki so spremenili namen živih žabjih celic, da bi razvili prvega živega robota na svetu

V izjemni mešanici biološkega življenja in robotike je ekipa znanstvenikov spremenila namen živih žabjih celic in jih uporabila za razvoj "ksenobotov". Celice izvirajo iz žabjih zarodkov, ksenoboti pa so široki le milimeter. Sposobni so se premakniti proti tarči, po možnosti pobrati tovor, kot je zdravilo za notranjost človeškega telesa, in se pozdraviti, ko so bili urezni ali poškodovani. 

"To so novi živi stroji," pravi Joshua Bongard, računalniški znanstvenik in strokovnjak za robotiko na Univerzi v Vermontu, ki je sovodil novo raziskavo. »Niso niti tradicionalni robot niti znana vrsta živali. To je nov razred artefakta: živ organizem, ki ga je mogoče programirati."

Znanstveniki so robote zasnovali na superračunalniku pri Univerza v Vermontu, skupina biologov na univerzi Tufts pa jih je sestavila in preizkusila. 

»Lahko si predstavljamo veliko uporabnih aplikacij teh živih robotov, ki jih drugi stroji ne zmorejo,« pravi sovodja Michael Levin, ki vodi Center za regenerativno in razvojno biologijo v Tuftsu, »na primer iskanje neprijetnih spojin ali radioaktivnega onesnaženja, zbiranje mikroplastike. v oceanih, potujejo po arterijah, da bi strgali zobne obloge.«

Raziskava je bila objavljena v Zbornik National Academy of Sciences januarja 13.

Po navedbah ekipe je to prvič, da raziskave "od začetka načrtujejo popolnoma biološke stroje."

Potrebovali so mesece obdelave na superračunalniški gruči Deep Green v Vermontovem naprednem računalniškem jedru UVM. Ekipa je vključevala glavnega avtorja in doktorskega študenta Sama Kriegmana, ki so se zanašali na evolucijski algoritem za razvoj na tisoče različnih modelov za nove oblike življenja. 

Ko bi bil računalnik zadolžen za dokončanje naloge, ki so jo dali znanstveniki, na primer premikanje v eno smer, bi nenehno ponovno sestavljal nekaj sto simuliranih celic v različne oblike in oblike telesa. Med izvajanjem programov so bili najuspešnejši simulirani organizmi ohranjeni in izboljšani. Algoritem se je neodvisno izvajal stokrat in najboljši modeli so bili izbrani za testiranje.

Ekipa pri Tuftsu, ki jo je vodil Levin in s pomočjo mikrokirurga Douglasa Blackistona, se je nato lotila projekta. Zasnove so prenesli v naslednjo fazo, to je bilo življenje. Ekipa je zbrala matične celice, pridobljene iz zarodkov afriških žab, vrste Xenopus laevis. Posamezne celice smo nato ločili in pustili inkubirati. Ekipa je uporabila majhne klešče in elektrodo, da je celice razrezala in jih pod mikroskopom združila v modele, ki jih je ustvaril računalnik.

Celice so bile sestavljene v povsem nove telesne oblike in začele so delovati skupaj. Kožne celice so se razvile v bolj pasivno zgradbo, celice srčne mišice pa so bile odgovorne za ustvarjanje urejenega gibanja naprej, kot ga je vodila zasnova računalnika. Roboti so se lahko premikali sami zaradi spontanih vzorcev samoorganiziranja.

Organizmi so se lahko gibali skladno in so dneve ali tedne raziskovali svoje vodno okolje. Zanašali so se na embrionalne zaloge energije, vendar jim ni uspelo, ko so se prevrnili na hrbet. 

"To je korak k uporabi računalniško zasnovanih organizmov za inteligentno dostavo zdravil," pravi Bongard, profesor na Oddelku za računalništvo in Center za kompleksne sisteme UVM.

Ker so ksenoboti žive tehnologije, imajo določene prednosti. 

»Slaba stran živega tkiva je, da je šibko in se razgradi,« pravi Bongard. »Zato uporabljamo jeklo. Toda organizmi imajo 4.5 milijarde let prakse, da se obnavljajo in trajajo desetletja. Ti ksenoboti so popolnoma biorazgradljivi,« nadaljuje. "Ko po sedmih dneh končajo s svojim delom, so le mrtve kožne celice."

Ta razvoj bo imel velike posledice za prihodnost. 

"Če bo človeštvo preživelo v prihodnosti, moramo bolje razumeti, kako kompleksne lastnosti nekako izhajajo iz preprostih pravil," pravi Levin. »Velik del znanosti je osredotočen na nadzorovanje pravil nizke ravni. Razumeti moramo tudi pravila na visoki ravni. Če bi želeli mravljišče z dvema dimnikoma namesto z enim, kako bi spremenili mravlje? Pojma ne bi imeli.”

»Mislim, da je za prihodnjo družbo absolutno nujno, da bolje obvlada sisteme, kjer je rezultat zelo zapleten. Prvi korak k temu je raziskati: kako se živi sistemi odločijo, kakšno bi moralo biti splošno vedenje, in kako manipuliramo s kosi, da dosežemo želeno vedenje?«

»Ta študija je neposreden prispevek k razumevanju tega, česar se ljudje bojijo, kar so nenamerne posledice, pa naj gre za hiter prihod samovozečih avtomobilov, spreminjanje genskih nagonov za izničenje celih rodov virusov ali številne druge kompleksne in avtonomni sistemi, ki bodo vedno bolj oblikovali človeško izkušnjo.«

»V življenju je vsa ta prirojena ustvarjalnost,« pravi Josh Bongard iz UVM. "To želimo razumeti globlje - in kako ga lahko usmerimo in potiskamo k novim oblikam."