Forskare återanvänder levande grodceller för att utveckla världens första levande robot

I ett remarkabelt möte mellan biologiskt liv och robotik har ett team av forskare återanvänt levande grodceller och använt dem för att utveckla “xenobotar”. Cellerna kommer från grodembryon och xenobotarna är bara en millimeter breda. De kan röra sig mot ett mål, möjligtvis plocka upp en last som medicin för insidan av en människokropp och läka sig själva efter att ha skurits eller skadats.

“Detta är nya levande maskiner”, enligt Joshua Bongard, en datavetare och robotikexpert vid University of Vermont som ledde den nya forskningen. “De är varken en traditionell robot eller en känd art av djur. Det är en ny klass av artefakt: en levande, programmerbar organism.”

Forskarna designade botarna på en superdator vid University of Vermont, och en grupp biologer vid Tufts University monterade och testade dem.

“Vi kan föreställa oss många användbara tillämpningar av dessa levande robotar som andra maskiner inte kan göra”, säger medledare Michael Levin som leder Centrum för regenerativ och utvecklingsbiologi vid Tufts, “såsom att söka efter obehagliga ämnen eller radioaktivt förorenande, samla in mikroplast i haven, resa i artärer för att skrapa bort plack”.

Forskningen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences den 13 januari.

Enligt teamet är detta första gången som forskning “designar helt biologiska maskiner från grunden”.

Det tog månader av bearbetningstid på Deep Green-superdatorn vid UVM:s Vermont Advanced Computing Core. Teamet inkluderade huvudförfattaren och doktoranden Sam Kriegman, och de förlitade sig på en evolutionär algoritm för att utveckla tusentals olika design för de nya livsformerna.

När datorn fick i uppgift att slutföra en uppgift som forskarna gett, såsom lokomotion i en riktning, skulle den kontinuerligt ommontera ett fåtal hundra simulerade celler i olika former och kroppsskap. När programmen kördes, behölls de mest framgångsrika simulerade organismerna och raffinerades. Algoritmen kördes oberoende hundra gånger, och de bästa designerna valdes för testning.

Teamet vid Tufts, lett av Levin och med hjälp av mikrokirurgen Douglas Blackiston, tog sedan upp projektet. De överförde designerna till nästa stadium, som var liv. Teamet samlade stamceller som skördades från embryon av afrikanska grodor, arten Xenopus laevis. Enskilda celler separerades sedan och lämnades för att inkubera. Teamet använde små pincetter och en elektrod för att skära cellerna och förena dem under ett mikroskop i de design som skapats av datorn.

Cellerna sammanslogs till alla nya kroppsformer och började arbeta tillsammans. Hudcellerna utvecklades till en mer passiv byggnad och hjärtmuskelcellerna var ansvariga för att skapa ordnad framåtriktad rörelse enligt datorns design. Robotarna kunde röra sig på egen hand på grund av de spontana självorganiserande mönstren.

Organismerna kunde röra sig på ett sammanhängande sätt och de varade i dagar eller veckor medan de utforskade sin vattenmiljö. De förlitade sig på embryonala energilager, men de misslyckades när de vändes på rygg.

“Det är ett steg mot att använda dator-designade organismer för intelligent läkemedelsleverans”, säger Bongard, en professor vid UVM:s datavetenskaps- och komplexa systemcentrum.

Eftersom xenobotarna är levande teknologier har de vissa fördelar.

“Nackdelen med levande vävnad är att den är svag och den bryts ner”, säger Bongard. “Det är därför vi använder stål. Men organismer har 4,5 miljarder år av övning på att regenerera sig själva och fortsätta i årtionden. Dessa xenobotar är fullständigt biologiskt nedbrytbara”, fortsätter han. “När de är klara med sitt jobb efter sju dagar är de bara döda hudceller.”

Dessa utvecklingar kommer att ha stora implikationer för framtiden.

“Om mänskligheten ska överleva i framtiden måste vi bättre förstå hur komplexa egenskaper på något sätt uppstår från enkla regler”, säger Levin. “Mycket av vetenskapen fokuserar på att kontrollera de lågnivåreglerna. Vi måste också förstå de högnivåreglerna. Om du ville ha en myrstack med två skorstenar istället för en, hur modifierar du myrorna? Vi skulle ha ingen aning.”

“Jag tycker att det är en absolut nödvändighet för samhället att få ett bättre grepp om system där resultatet är mycket komplext. Ett första steg mot att göra det är att utforska: hur bestämmer levande system vad en övergripande beteende ska vara och hur kan vi manipulera delarna för att få de beteenden vi vill?”

“Denna studie är ett direkt bidrag till att få ett grepp om vad människor är rädda för, som är oavsiktliga konsekvenser, antingen i den snabba ankomsten av självkörande bilar, ändra genetiska drivkrafter för att utplåna hela släkten av virus, eller de många andra komplexa och autonoma system som kommer att forma den mänskliga upplevelsen alltmer.”

“Det finns all denna medfödda kreativitet i livet”, säger UVM:s Josh Bongard. “Vi vill förstå det mer djupt – och hur vi kan styra och driva det mot nya former.”