Xenobots 2.0 är här och fortfarande utvecklade med groda stamceller

Samma team av biologer och datavetare från Tufts University och University of Vermont som skapade “Xenobots” förra året har nu utvecklat Xenobots 2.0. Förra årets version var nya, små, självläkande biologiska maskiner skapade från grodceller, och de kunde navigera, skjuta laster och fungera som en kollektiv enhet i vissa fall.

Xenobots 2.0

De nya Xenobots 2.0 är livsformer som kan självsammanfoga en kropp från enskilda celler. De behöver inte muskler för att röra sig, och de har till och med visat på mätbar minnesförmåga. Jämfört med deras tidigare motparter rör sig de nya botarna snabbare, navigerar i ännu fler miljöer och har längre livslängd. Samtidigt kan de fortfarande arbeta tillsammans och läka sig själva när de skadas.

Den nya forskningen publicerades i Science Robotics.

Med Xenobots 1.0 konstruerades de millimeterstora automatiseringarna “topp ned”, med manuell placering av vävnad och kirurgisk formning av grodhud och hjärtceller, som producerar rörelse. Med den nya versionen av tekniken konstruerades de “botten upp”.

Stamceller togs från embryon av den afrikanska grodan Xenopus laevis, och detta möjliggjorde att de kunde självsammanfoga och växa till sfärer. Efter några dagar differentierades cellerna och producerade cilier som rörde sig fram och tillbaka eller roterade på ett visst sätt.

Dessa cilier ger de nya botarna en typ av “ben” som möjliggör snabb rörelse över ytor. I den biologiska världen finns cilier, eller små hårliknande utskott, ofta på slemhinnor som lungor. De hjälper till att skjuta ut främmande material och patogener, men i Xenobots erbjuder de snabb lokomotion.

Michael Levin är en framstående professor i biologi och chef för Allen Discovery Center vid Tufts University. Han är den korresponderande författaren till studien.

“Vi ser den anmärkningsvärda plasticiteten hos cellulära kollektiv, som bygger en rudimentär ny ‘kropp’ som är ganska olika deras standard – i det här fallet en groda – trots att de har ett helt normalt genom,” sa Levin. “I en grodaembryo samarbetar celler för att skapa en tadpole. Här, borttagna från den kontexten, ser vi att celler kan återanvända sin genetiskt kodade hårdvara, som cilier, för nya funktioner som lokomotion. Det är fantastiskt att celler kan ta på sig nya roller och skapa nya kroppslan och beteenden utan långa perioder av evolutionär selektion för dessa funktioner.”

Seniorforskare Doug Blackiston var medförfattare till studien tillsammans med forskningstekniker Emma Lederer.

“På ett sätt är Xenobots konstruerade som en traditionell robot. Bara att vi använder celler och vävnader istället för artificiella komponenter för att bygga formen och skapa förutsägbart beteende”, sa Blackiston. “På biologins sida hjälper denna metod oss att förstå hur celler kommunicerar när de interagerar med varandra under utvecklingen, och hur vi kan kontrollera dessa interaktioner bättre.”

På UVM utvecklade forskarna datorsimulationer som modellerade olika former av Xenobots, vilket hjälpte till att identifiera olika beteenden som visades i både individer och grupper. Teamet förlitade sig på Deep Green-superdatorn på UVM:s Vermont Advanced Computing Core.

Ledda av datavetare och robotikexperter Josh Bongard kom teamet med hundratusentals olika miljöförhållanden genom användning av en evolutionär algoritm. Simulationerna användes sedan för att identifiera Xenobots som kunde arbeta tillsammans i svärmar för att samla skräp i ett fält av partiklar.

Vi vet uppgiften, men det är inte alls uppenbart – för människor – vad en lyckad design ska se ut som. Det är där superdatorn kommer in och söker igenom alla möjliga Xenobot-svärmar för att hitta svärmen som gör jobbet bäst”, säger Bongard. “Vi vill att Xenobots ska göra användbart arbete. Just nu ger vi dem enkla uppgifter, men slutligen syftar vi till en ny typ av levande verktyg som kunde, till exempel, rena mikroplaster i havet eller föroreningar i jorden.”

De nya versionerna av botarna är snabbare och mer effektiva vid uppgifter som skräpsamling, och de kan nu täcka stora platta ytor. Den nya uppgraderingen inkluderar också möjligheten för Xenoboten att spela in information.

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

Inspelning av minne och självläkning

Den mest imponerande nya funktionen i tekniken är möjligheten för botarna att spela in minne, som sedan kan användas för att modifiera dess handlingar och beteenden. Den nyligen utvecklade minnesfunktionen testades och beviset för konceptet visade att det kunde utvidgas i framtiden för att upptäcka och spela in ljus, närvaro av radioaktiv kontamination, kemiska föroreningar och mer.

“När vi lägger till fler funktioner i botarna kan vi använda datorsimulationer för att designa dem med mer komplexa beteenden och möjligheten att utföra mer elaborerade uppgifter”, sa Bongard. “Vi kunde potentiellt designa dem inte bara för att rapportera förhållanden i deras miljö utan också för att modifiera och reparera förhållanden i deras miljö.”

De nya versionerna av robotarna kan också självläka mycket effektivt, och de visar att de kan stänga majoriteten av en allvarlig fullständig laceration halva sin tjocklek inom bara fem minuter.

De nya Xenobots tar över förmågan att överleva upp till tio dagar på embryonala energilager, och deras uppgifter kan utföras utan ytterligare energikällor. Om de hålls i olika näringsämnen kan de fortsätta i full fart i månader.