Các nhà khoa học tái sử dụng tế bào ếch sống để phát triển Robot sống đầu tiên trên thế giới

Trong một sự kết hợp đáng kinh ngạc giữa sự sống sinh học và robot, một nhóm các nhà khoa học đã tái sử dụng tế bào ếch sống và sử dụng chúng để phát triển “xenobots”. Các tế bào này đến từ phôi ếch, và xenobots chỉ rộng một milimét. Chúng có khả năng di chuyển tới mục tiêu, có thể nhặt một tải trọng như thuốc men cho bên trong cơ thể con người, và tự chữa lành sau khi bị cắt hoặc bị hư hỏng.

“Đây là những máy móc sống mới”, theo Joshua Bongard, một nhà khoa học máy tính và chuyên gia robot tại Đại học Vermont, người đã lãnh đạo nghiên cứu mới này. “Chúng không phải là robot truyền thống hay một loài động vật đã biết. Đó là một lớp mới của hiện vật: một sinh vật sống, có thể lập trình.”

Các nhà khoa học đã thiết kế các robot này trên một siêu máy tính tại Đại học Vermont, và một nhóm các nhà sinh học tại Đại học Tufts đã lắp ráp và thử nghiệm chúng.

“Chúng ta có thể tưởng tượng nhiều ứng dụng hữu ích của những robot sống này mà các máy móc khác không thể làm”, nói Michael Levin, người lãnh đạo Trung tâm Sinh học Phát triển và Tái tạo tại Tufts, “như tìm kiếm các hợp chất độc hại hoặc ô nhiễm phóng xạ, thu thập vi nhựa trong đại dương, di chuyển trong động mạch để loại bỏ mảng bám.”

Nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences vào ngày 13 tháng 1.

Theo nhóm nghiên cứu, đây là lần đầu tiên nghiên cứu “thiết kế hoàn toàn máy móc sinh học từ đầu”.

Quá trình này mất nhiều tháng thời gian xử lý trên siêu máy tính Deep Green tại Trung tâm Máy tính Nâng cao Vermont của UVM. Nhóm nghiên cứu bao gồm tác giả chính và sinh viên tiến sĩ Sam Kriegman, và họ đã dựa vào một thuật toán tiến hóa để phát triển hàng nghìn thiết kế khác nhau cho các dạng sống mới.

Khi máy tính được giao nhiệm vụ hoàn thành một nhiệm vụ do các nhà khoa học đưa ra, chẳng hạn như di chuyển theo một hướng, nó sẽ liên tục tái lắp ráp một vài trăm tế bào mô phỏng vào các hình dạng và hình thể khác nhau. Khi các chương trình chạy, các sinh vật mô phỏng thành công nhất sẽ được giữ lại và tinh chỉnh. Thuật toán chạy độc lập một trăm lần, và các thiết kế tốt nhất sẽ được chọn để thử nghiệm.

Nhóm nghiên cứu tại Tufts, do Levin lãnh đạo và với sự giúp đỡ của nhà giải phẫu vi mô Douglas Blackiston, sau đó đã tiếp tục dự án. Họ đã chuyển các thiết kế vào giai đoạn tiếp theo, đó là sự sống. Nhóm nghiên cứu đã thu thập các tế bào gốc từ phôi ếch châu Phi, loài Xenopus laevis. Các tế bào đơn được tách ra và để ấp. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kẹp nhỏ và điện cực để cắt các tế bào và nối chúng lại với nhau dưới kính hiển vi theo thiết kế do máy tính tạo ra.

Các tế bào đã được lắp ráp thành các hình thể mới, và chúng bắt đầu hoạt động cùng nhau. Các tế bào da phát triển thành một cấu trúc bị động hơn, và các tế bào cơ tim chịu trách nhiệm tạo ra chuyển động có trật tự về phía trước theo hướng dẫn của thiết kế máy tính. Các robot có thể di chuyển tự mình do các mẫu tự tổ chức tự phát.

Các sinh vật này có khả năng di chuyển một cách nhất quán, và chúng tồn tại trong vài ngày hoặc vài tuần khi khám phá môi trường nước của chúng. Chúng phụ thuộc vào nguồn năng lượng phôi, nhưng chúng thất bại khi bị lật ngược.

“Đây là một bước tiến hacia việc sử dụng các sinh vật được thiết kế bởi máy tính cho việc phân phối thuốc thông minh”, nói Bongard, một giáo sư tại Bộ phận Khoa học Máy tính và Trung tâm Hệ thống Phức tạp của UVM.

Vì xenobots là công nghệ sống, chúng có một số lợi thế.

“Nhược điểm của mô sống là nó yếu và bị phân hủy”, nói Bongard. “Đó là lý do tại sao chúng ta sử dụng thép. Nhưng các sinh vật đã có 4,5 tỷ năm kinh nghiệm trong việc tái tạo và tồn tại trong nhiều thập kỷ. Những xenobots này hoàn toàn có thể phân hủy sinh học”, ông tiếp tục. “Khi chúng hoàn thành nhiệm vụ của mình sau bảy ngày, chúng chỉ là các tế bào da chết.”

Những phát triển này sẽ có những ý nghĩa lớn cho tương lai.

“Nếu loài người muốn tồn tại trong tương lai, chúng ta cần hiểu rõ hơn về cách các thuộc tính phức tạp xuất hiện từ các quy tắc đơn giản”, nói Levin. “Phần lớn khoa học tập trung vào việc kiểm soát các quy tắc cấp thấp. Chúng ta cũng cần hiểu các quy tắc cấp cao. Nếu bạn muốn một ụ kiến với hai ống khói thay vì một, làm thế nào bạn có thể thay đổi kiến? Chúng ta sẽ không có ý tưởng nào.”

“Tôi nghĩ đó là một điều cần thiết tuyệt đối cho xã hội trong tương lai để có được một sự hiểu biết tốt hơn về các hệ thống mà kết quả là rất phức tạp. Một bước đầu tiên để làm điều đó là khám phá: làm thế nào các hệ thống sống quyết định một hành vi tổng thể nên là gì và làm thế nào chúng ta có thể điều khiển các phần để có được các hành vi mà chúng ta muốn?”

“Nghiên cứu này là một đóng góp trực tiếp để hiểu rõ hơn về những gì mọi người sợ hãi, đó là các hậu quả không lường trước, cho dù đó là sự xuất hiện nhanh chóng của xe tự lái, thay đổi gene để tiêu diệt toàn bộ dòng virus, hay các hệ thống tự động và tự chủ khác sẽ ngày càng định hình trải nghiệm của con người.”

“Có tất cả sự sáng tạo bẩm sinh trong cuộc sống”, nói Josh Bongard của UVM. “Chúng ta muốn hiểu rõ hơn về điều đó – và làm thế nào chúng ta có thể chỉ đạo và đẩy nó đến các hình thức mới.”