Xenobots 2.0 Đã Đến Và Vẫn Được Phát Triển Với Tế Bào Cải Của Ếch

Đội ngũ các nhà sinh học và khoa học máy tính từ Đại học Tufts và Đại học Vermont, những người đã tạo ra “Xenobots” vào năm ngoái, đã phát triển Xenobots 2.0. Phiên bản năm ngoái là những máy sinh học tự chữa lành nhỏ được tạo từ tế bào ếch, và chúng có thể điều hướng, đẩy tải trọng và hoạt động như một đơn vị tập thể trong một số trường hợp.

Xenobots 2.0

Xenobots 2.0 mới là những sinh vật có thể tự lắp ráp một cơ thể từ các tế bào đơn. Chúng không cần cơ để di chuyển, và chúng thậm chí đã thể hiện khả năng ghi nhớ. So với các phiên bản trước, các robot mới di chuyển nhanh hơn, điều hướng trong nhiều môi trường hơn và có tuổi thọ dài hơn. Đồng thời, chúng vẫn có thể làm việc cùng nhau và tự chữa lành khi bị hư hỏng.

Nghiên cứu mới được công bố trên Science Robotics.

Với Xenobots 1.0, các máy tự động có kích thước milimét được xây dựng “từ trên xuống”, với việc đặt mô và tạo hình phẫu thuật da ếch và tế bào tim, tạo ra chuyển động. Với phiên bản mới của công nghệ, chúng được xây dựng “từ dưới lên”.

Tế bào gốc được lấy từ phôi của ếch Xenopus laevis, và điều này cho phép chúng tự lắp ráp và phát triển thành các hình cầu. Sau vài ngày, các tế bào phân biệt và tạo ra các tiêm mao di chuyển tới lui hoặc quay trong một cách cụ thể.

Những tiêm mao này cung cấp cho các robot mới một loại “chân” cho phép chúng di chuyển nhanh trên bề mặt. Trong thế giới sinh học, tiêm mao, hoặc các dự án giống như tóc nhỏ, thường được tìm thấy trên các bề mặt nhầy như phổi. Chúng giúp đẩy ra các vật liệu và tác nhân gây bệnh lạ, nhưng trong Xenobots, chúng cung cấp khả năng di chuyển nhanh.

Michael Levin là Giáo sư Sinh học杰出 và giám đốc Trung tâm Khám phá Allen tại Đại học Tufts. Ông là tác giả tương ứng của nghiên cứu.

“Chúng tôi đang chứng kiến sự dẻo dai đáng kể của các tập hợp tế bào, những thứ xây dựng một ‘cơ thể’ thô sơ mới khá khác biệt so với mặc định – trong trường hợp này, một con ếch – mặc dù có một bộ gen hoàn toàn bình thường,” Levin nói. “Trong một phôi ếch, các tế bào hợp tác để tạo ra một con cóc. Ở đây, khi loại bỏ khỏi bối cảnh đó, chúng tôi thấy rằng các tế bào có thể tái sử dụng phần cứng di truyền của chúng, như tiêm mao, cho các chức năng mới như di chuyển. Điều đó thật tuyệt vời khi các tế bào có thể tự nhiên nhận trên các vai trò mới và tạo ra các kế hoạch cơ thể và hành vi mới mà không cần thời gian chọn lọc tiến hóa lâu dài cho các tính năng đó.”

Nhà khoa học cao cấp Doug Blackiston là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu cùng với kỹ thuật viên nghiên cứu Emma Lederer.

“Theo một cách nào đó, Xenobots được xây dựng giống như một robot truyền thống. Chỉ là chúng tôi sử dụng tế bào và mô thay vì các thành phần nhân tạo để xây dựng hình dạng và tạo ra hành vi có thể dự đoán.” Blackiston nói “Về mặt sinh học, cách tiếp cận này đang giúp chúng tôi hiểu cách các tế bào giao tiếp khi chúng tương tác với nhau trong quá trình phát triển, và cách chúng tôi có thể kiểm soát các tương tác đó tốt hơn.”

Ở UVM, các nhà khoa học đang phát triển các mô phỏng máy tính mô hình hóa các hình dạng khác nhau của Xenobots, giúp xác định các hành vi khác nhau được thể hiện ở cả cá nhân và nhóm. Đội ngũ dựa vào cụm máy tính siêu tốc Deep Green tại Vermont Advanced Computing Core.

Dưới sự dẫn dắt của các nhà khoa học máy tính và chuyên gia robot Josh Bongard, đội ngũ đã tạo ra hàng trăm nghìn điều kiện môi trường thông qua việc sử dụng một thuật toán tiến hóa. Các mô phỏng sau đó được sử dụng để xác định Xenobots có thể làm việc cùng nhau trong đàn để thu thập rác trong một trường hạt.

Chúng tôi biết nhiệm vụ, nhưng không rõ ràng chút nào – đối với con người – một thiết kế thành công nên trông như thế nào. Đó là nơi siêu máy tính can thiệp và tìm kiếm không gian của tất cả các đàn Xenobot có thể để tìm ra đàn thực hiện công việc tốt nhất,” Bongard nói. “Chúng tôi muốn Xenobots thực hiện công việc hữu ích. Hiện tại chúng tôi đang giao cho chúng các nhiệm vụ đơn giản, nhưng cuối cùng chúng tôi nhắm đến một loại công cụ sống mới có thể, ví dụ, làm sạch vi nhựa trong đại dương hoặc các chất ô nhiễm trong đất.”

Phiên bản mới của các robot di chuyển nhanh hơn và hiệu quả hơn trong các nhiệm vụ như thu gom rác, và chúng hiện có thể bao phủ các bề mặt phẳng lớn. Bản nâng cấp mới cũng bao gồm khả năng cho Xenobot ghi lại thông tin.

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

Ghi Nhớ và Tự Chữa Lành

Tính năng mới ấn tượng nhất của công nghệ là khả năng cho các robot ghi nhớ, có thể được sử dụng để sửa đổi hành vi và hành động của chúng. Chức năng ghi nhớ mới được phát triển đã được thử nghiệm và chứng minh khái niệm đã chứng minh rằng nó có thể được mở rộng trong tương lai để phát hiện và ghi lại ánh sáng, sự hiện diện của ô nhiễm phóng xạ, ô nhiễm hóa học và hơn thế nữa.

“Khi chúng tôi đưa thêm khả năng vào các robot, chúng tôi có thể sử dụng các mô phỏng máy tính để thiết kế chúng với các hành vi phức tạp hơn và khả năng thực hiện các nhiệm vụ tinh vi hơn,” Bongard nói. “Chúng tôi có thể thiết kế chúng không chỉ để báo cáo các điều kiện trong môi trường của chúng mà còn để sửa đổi và sửa chữa các điều kiện trong môi trường của chúng.”

Phiên bản mới của các robot cũng có khả năng tự chữa lành rất hiệu quả, chứng tỏ rằng chúng có khả năng đóng lại đa số vết thương dài toàn bộ và sâu một nửa trong vòng chỉ năm phút.

Xenobots mới vẫn giữ khả năng sống sót lên đến mười ngày trên nguồn năng lượng phôi, và các nhiệm vụ của chúng có thể được thực hiện mà không cần nguồn năng lượng bổ sung. Nếu chúng được giữ trong các chất dinh dưỡng khác nhau, chúng có thể tiếp tục với tốc độ đầy đủ trong nhiều tháng.