นักวิทยาศาสตร์นำเซลล์ปกติของกบมาใช้พัฒนาโรบอทที่มีชีวิตเป็นครั้งแรกของโลก

เป็นการผสมผสานระหว่างชีวิตทางชีววิทยาและหุ่นยนต์ที่น่าประทับใจ ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้นำเซลล์ของกบมาใช้และพัฒนา “xenobots” เซลล์เหล่านี้มาจากตัวอ่อนกบ และ xenobots มีขนาดเพียง 1 มิลลิเมตร พวกมันสามารถเคลื่อนที่ไปตามเป้าหมายที่กำหนด และอาจสามารถรับพันธะสัญญา เช่น ยาเพื่อใช้ภายในร่างกายมนุษย์ และสามารถฟื้นตัวได้หลังจากถูกตัดหรือเสียหาย

“สิ่งเหล่านี้เป็นเครื่องจักรชีวิตที่ไม่เหมือนใคร” ตามที่จอชัว บองการ์ด นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์และผู้เชี่ยวชาญด้านหุ่นยนต์จากมหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์ ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยใหม่นี้ “พวกมันไม่ใช่หุ่นยนต์แบบดั้งเดิมหรือสัตว์ที่ทราบกันดี มันเป็นคลาสใหม่ของสิ่งประดิษฐ์: สิ่งมีชีวิตที่สามารถเขียนโปรแกรมได้”

นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบหุ่นยนต์เหล่านี้บนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์ และทีมนักชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยทัฟตส์ได้รวบรวมและทดสอบพวกมัน

“เราสามารถจินตนาการถึงการใช้งานที่มีประโยชน์มากมายของหุ่นยนต์ชีวิตเหล่านี้ที่เครื่องจักรอื่นๆ ไม่สามารถทำได้” ตามที่ไมเคิล เลวิน ผู้ร่วมนำการวิจัยและผู้อำนวยการศูนย์ชีววิทยาและพัฒนาการที่มหาวิทยาลัยทัฟตส์ “เช่น การค้นหาสารพิษหรือการปนเปื้อนของสารกัมมันตภาพรังสี การเก็บขยะพลาสติกในมหาสมุทร การเดินทางในหลอดเลือดเพื่อกำจัดพลาค”

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Proceedings of the National Academy of Sciences เมื่อวันที่ 13 มกราคม

ตามทีมนักวิจัย นี่เป็นครั้งแรกที่การวิจัย “ออกแบบเครื่องจักรชีวิตที่สมบูรณ์แบบจากพื้นฐาน”

ใช้เวลาหลายเดือนในการประมวลผลบนคลัสเตอร์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Deep Green ที่มหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์ ทีมนักวิจัยได้รวมถึงผู้เขียนนำและนักศึกษาดุษฎีบัณฑิต ซามูเอล ไครกแมน และพวกเขาได้ใช้อัลกอริทึมวิวัฒนาการเพื่อพัฒนาแบบจำลองหลายพันแบบสำหรับรูปแบบชีวิตใหม่

เมื่อคอมพิวเตอร์ได้รับมอบหมายให้ทำภารกิจที่กำหนดโดยนักวิจัย เช่น การเคลื่อนที่ในหนึ่งทาง คอมพิวเตอร์จะรวมเซลล์หลายร้อยเซลล์เข้าด้วยกันในหลายรูปแบบและรูปทรง เมื่อโปรแกรมทำงาน เซลล์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดจะถูกเก็บและปรับปรุง อัลกอริทึมทำงานอิสระ 100 ครั้ง และแบบจำลองที่ดีที่สุดจะถูกเลือกสำหรับการทดสอบ

ทีมนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยทัฟตส์ ซึ่งนำโดยเลวิน และได้รับการช่วยเหลือจากศัลยแพทย์ไมโคร ดักลาส แบล็คส์ตัน ได้รับมอบหมายให้ดำเนินโครงการต่อไป พวกเขาได้นำแบบจำลองไปสู่ขั้นตอนต่อไป ซึ่งเป็นชีวิต ทีมนักวิจัยได้รวบรวมเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนกบของสปีชีส์ Xenopus laevis เซลล์เดี่ยวถูกแยกออกและปล่อยให้บ่มเพาะ ทีมนักวิจัยใช้ปากกาและอิเล็กโทรดเพื่อตัดเซลล์และรวมเข้าด้วยกันภายใต้กล้องจุลทรรศน์ตามแบบจำลองที่คอมพิวเตอร์สร้างขึ้น

เซลล์ถูกสร้างเป็นรูปแบบร่างกายใหม่และเริ่มทำงานร่วมกัน เซลล์ผิวหนังพัฒนาเป็นโครงสร้างที่ไม่เคลื่อนไหวมากนัก และเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจรับผิดชอบในการสร้างการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามที่คอมพิวเตอร์ออกแบบ หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยตนเองเนื่องจากรูปแบบการรวมตัวที่เกิดขึ้นเอง

สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างมีระเบียบและสามารถอยู่ได้เป็นเวลาหลายวันหรือหลายสัปดาห์ในการสำรวจสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำ พวกมันใช้พลังงานที่เก็บไว้จากตัวอ่อน แต่จะล้มเหลวเมื่อถูกพลิกกลับ

“เป็นขั้นตอนไปสู่การใช้สิ่งมีชีวิตที่ออกแบบโดยคอมพิวเตอร์สำหรับการส่งมอบยาอย่างชาญฉลาด” ตามที่บองการ์ด ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ภาควิชาวิทยาการคอมพิวเตอร์และศูนย์ระบบซับซ้อนแห่งมหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์

เนื่องจาก xenobots เป็นเทคโนโลยีชีวิต พวกมันจึงมีข้อดีบางประการ

“ข้อเสียของเนื้อเยื่อที่มีชีวิตคือความอ่อนแอและเสื่อมสภาพ” ตามที่บองการ์ด “นั่นคือเหตุผลที่เราใช้เหล็ก แต่สิ่งมีชีวิตมีประสบการณ์ 4.5 พันล้านปีในการฟื้นฟูตนเองและดำเนินต่อไปเป็นเวลาหลายทศวรรษ หุ่นยนต์เหล่านี้สามารถย่อยสลายได้ 100% เมื่อพวกมันทำงานเสร็จหลังจาก 7 วัน พวกมันจะกลายเป็นเพียงเซลล์ผิวหนังที่ตายแล้ว”

การพัฒนานี้จะมีผลกระทบอย่างมากต่ออนาคต

“หากมนุษยชาติต้องการอยู่รอดในอนาคต เราต้องเข้าใจว่าทรัพย์สินเชิงซับซ้อนเกิดขึ้นได้อย่างไรจากกฎเกณฑ์ง่ายๆ” ตามที่เลวิน “วิทยาศาสตร์จำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การควบคุมกฎเกณฑ์ระดับต่ำ แต่เรายังต้องเข้าใจกฎเกณฑ์ระดับสูง หากคุณต้องการปล่องไฟสองปล่องแทนหนึ่งปล่อง คุณจะแก้ไขมดได้อย่างไร? เราไม่มีทางรู้”

“ฉันคิดว่ามันเป็นความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับสังคมที่จะเข้าใจระบบที่ผลลัพธ์เป็นเชิงซับซ้อน ขั้นตอนแรกในการทำเช่นนั้นคือการสำรวจ: สิ่งมีชีวิตตัดสินว่าพฤติกรรมโดยรวมควรเป็นอย่างไร และเราจะจัดการส่วนต่างๆ เพื่อให้ได้พฤติกรรมที่ต้องการ?”

“การศึกษานี้เป็นผลงานโดยตรงในการเข้าใจสิ่งที่ผู้คนกลัว ซึ่งก็คือผลกระทบที่ไม่ได้ตั้งใจ ไม่ว่าจะเป็นการมาถึงของรถยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติ การเปลี่ยนแปลงของยีนไดรฟ์เพื่อกำจัดสายพันธุ์ของไวรัส หรือระบบอัตโนมัติซับซ้อนที่จะกำหนดประสบการณ์ของมนุษย์มากขึ้น”

“มีความสร้างสรรค์โดยธรรมชาติในชีวิต” ตามที่จอชัว บองการ์ดจากมหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์ “เราต้องการเข้าใจสิ่งนั้นอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น และวิธีที่เราสามารถกำหนดและผลักดันสิ่งนั้นไปสู่รูปแบบใหม่ๆ”