Vědci vytvářejí novou generaci živých robotů

Xenoboti vykazují kolaborativní aktivitu roje, v takovém případě spolupracují a shromažďují hromady drobných částic. Uznání: Doug Blackiston, Tufts University

Umělé živé organismy mohou přenášet materiál v rojích a dokumentovat informace.

V loňském roce vytvořil tým biologů a počítačových vědců z Tufts University a University of Vermont (UVM) drobné biologické stroje a samoléčení z žabích buněk zvaných „xenoboti“, které se mohou pohybovat, tlačit náklad a dokonce prezentovat kolektiv. Chování v přítomnosti roje jiných xenobotů.

Připravte se na Xenobots 2.0.

Stejný tým nyní vytvořil formy života, které tvoří jednotlivá vhodná vlastní těla, nevyžadují pohyb svalových buněk a dokonce prokazují zapisovatelnou kapacitu paměti. Nová generace Xenobotů se také pohybuje rychleji, naviguje v různých prostředích a má delší životnost než první vydání, a přesto mohou společně pracovat ve skupinách a v případě zranění se uzdravit. Výsledky nové studie byly zveřejněny v Vědecká robotika.

Ve srovnání s Xenobots 1.0, kde byly automaty o velikosti milimetru postaveny v přístupu „shora dolů“ ručním umístěním tkáně a chirurgickým designem žabí kůže a srdečních buněk, aby se vytvořil pohyb, u další verze Xenobots jde „zdola nahoru“ přístup. Biology ze střapce vzali kmenové buňky z africké žáby Xenopus laevis (odtud název „xenobots“) a umožnili jim, aby se shromáždily a vyrostly do sféroidů, kde se některé buňky po několika dnech oddělily a vytvořily nálevníky – drobné paprsky podobné vlasům pohybující se tam a zpět nebo rotující. Namísto použití ručně tvarovaných srdečních buněk, jejichž přirozené rytmické kontrakce umožnily původním xenobotům klouzat, řasinky dávají novým sférickým nohám „nohy“, aby je rychle pohybovaly po povrchu. U žáby, nebo u člověka, obvykle najdete řasy na sliznicích, jako jsou plíce, které pomáhají odpuzovat patogeny a jiné cizí látky. V Xenobots jsou přepracovány tak, aby poskytovaly rychlý provoz.

„Jsme svědky neuvěřitelné plastičnosti celulárních kolektivů, budování nového primárního„ těla “, které se zcela odlišuje od jejich výchozího stavu – v tomto případě žáby – i když mají zcela normální genom,“ řekl Michael Levin, uznávaný profesor biologie. A ředitel Allen Discovery Center na Tufts University a odpovídající autor studie. „U embryí žáby buňky spolupracují, aby vytvořily hlavu. Tady, vyjmuté z tohoto kontextu, vidíme, že buňky mohou znovu přiřadit svůj geneticky kódovaný hardware, jako jsou řasinky, novým funkcím, jako je pohyb. Úžasné, že buňky mohou spontánně převzít nové role a vytvářet nové tělesné programy a chování bez dlouhých období evolučního výběru těchto vlastností. “

„V jistém smyslu jsou xenoboti stavěni jako tradiční roboti. Pouze my používáme buňky a tkáně místo umělých komponent, abychom vytvořili tvar a vytvořili předvídatelné chování,“ řekl vedoucí vědec Doug Blackstone, který nejprve spoluautorem studie s výzkumnou technikou Emmou Lederer. „Biologicky nám tento přístup pomáhá pochopit, jak buňky komunikují, když spolu komunikují během vývoje, a jak můžeme tyto interakce lépe kontrolovat.“

Zatímco vědci Tufts vytvořili fyzické organismy, vědci na UVM byli zaneprázdněni aktivací počítačových simulací, které navrhovaly různé tvary xenobotů, aby zjistily, zda mohou vykazovat odlišné chování, a to jednotlivě i ve skupinách. Tým vedený počítačovými vědci a odborníky na robotiku Joshem Bongardem a za stovek tisíc náhodných podmínek prostředí pomocí evolučního algoritmu využívajícího hluboce zelený superpočítačový klastr. Tyto simulace byly použity k identifikaci xenobotů, kteří jsou nejvíce schopni spolupracovat v rojích a sbírat velké hromady trosek v poli částic.

„Známe tuto misi, ale pro lidi vůbec není zřejmé, jak by měl vypadat úspěšný design. Tam jde superpočítač a hledá prostor pro všechny možné roje xenobotů, aby našel roj, který dělá práci nejlépe, “říká Bongard. „Chceme, aby Xenobots odvedli užitečnou práci. Právě teď jim dáváme jednoduché úkoly, ale nakonec se zaměřujeme na nový druh živého nástroje, který může například čistit mikroplastiky v oceánu nebo znečišťující látky v přízemní.”

Ukázalo se, že noví xenoboti jsou mnohem rychlejší a lepší v úkolech, jako je sběr odpadků, než loňský model, a společně pracují v roji, aby protáhli Petriho misku a shromáždili větší hromady částic oxidu železa. Mohou také pokrýt velké ploché povrchy nebo cestovat úzkými kapilárami. Tyto studie také naznačují, že simulace v silico mohou v budoucnu optimalizovat další vlastnosti biologických robotů pro složitější chování. Jednou z důležitých funkcí přidaných do upgradu Xenobot je schopnost zaznamenávat informace.

Nyní s pamětí

Klíčovou vlastností robotiky je schopnost zaznamenávat paměť a používat tyto informace ke změně akcí a chování robota. Vědci na tapety však navrhli Xenoboty se schopností číst / zapisovat pro záznam jedné informace pomocí fluorescenčního psacího proteinu zvaného EosFP, který obvykle svítí zeleně. Když je však vystaven světlu o vlnové délce 390 nm, protein místo toho vydává červené světlo.

Buňky embryí žab byly injikovány poslem RNA Kódování proteinu EosFP před vyříznutím kmenových buněk za vzniku xenobotů. Dospělí Xenoboti mají nyní vestavěný fluorescenční spínač, který dokáže zaznamenat expozici modrému světlu kolem 390 nm.

Vědci testovali paměťovou funkci tím, že umožnili 10 xenobotům plavat po povrchu s jednou světlou skvrnou s paprskem světla 390 nm. Po dvou hodinách zjistili, že tři roboti vydávají červené světlo. Zbytek zůstal na původních zelených, což efektivně zaznamenávalo „zážitek z jízdy“ robotů.

Tento principiální důkaz molekulární paměti lze v budoucnu rozšířit, aby detekoval a dokumentoval nejen světlo, ale také přítomnost radioaktivní kontaminace, chemických kontaminantů, drog nebo nemocí. Další inženýrství paměťové funkce může umožnit záznam více podnětů (dalších informací) nebo umožnit robotům uvolňovat sloučeniny nebo měnit chování po vnímání podnětů.

„Když do robotů vkládáme více funkcí, můžeme je pomocí počítačových simulací navrhnout s komplexnějším chováním a schopností provádět složitější úkoly,“ řekl Bongard. „Můžeme je navrhnout nejen k hlášení podmínek v jejich prostředí, ale také ke změně a nápravě podmínek v jejich prostředí.“

Xenobote, uzdrav se

„Biologické materiály, které používáme, mají mnoho vlastností, které chceme někdy implementovat do robotů – buňky se mohou chovat jako senzory, pohybové motory, komunikační a výpočetní sítě a záznamová zařízení pro ukládání informací,“ řekl Levin. „Jedna věc, kterou mohou xenoboti a budoucí verze biologických robotů udělat, že jejich kovové a plastové protějšky to těžko dělají, je sestavit si vlastní plán těla, jak buňky rostou a dozrávají, a poté se opravit a obnovit, pokud jsou poškozeny. Léčení je přirozenou vlastností živé organismy a je zachován v biologii Xenobota. “

Noví xenoboti byli pozoruhodně zruční v hojení a během pěti minut po poranění uzavřeli většinu tvrdého popálení v plné délce v polovině své tloušťky. Všichni zranění roboti byli nakonec schopni ránu zahojit, znovu získat tvar a pokračovat v práci jako dříve.

Levin dodává, že další výhodou biologického robota je metabolismus. Na rozdíl od kovových a plastových robotů mohou buňky biologického robota absorbovat a rozkládat chemikálie a fungovat jako malé továrny, které syntetizují a vylučují chemikálie a proteiny. Celé pole syntetické biologie – které se z velké části zaměřilo na přeprogramování extracelulárních organismů na produkci užitečných molekul – lze v těchto mnohobuněčných organismech využít.

Stejně jako původní Xenobots mohou upgradovaní roboti přežít ve svých embryonálních energetických rezervách až deset dní a plnit své úkoly bez dalších zdrojů energie, ale mohou také pokračovat v plné rychlosti po mnoho měsíců, pokud jsou uloženi v „polévce“ živin.

Co vědci skutečně hledají

Fascinující popis biologických robotů a to, co se od nich můžeme naučit, představuje TED přednáška Michaela Levina.

Ve své přednášce TED profesor Levin nejen popisuje neuvěřitelný potenciál malých biologických robotů vykonávat užitečné úkoly v prostředí nebo potenciálně v terapeutických aplikacích, ale také poukazuje na to, co by mohlo být nejdůležitější výhodou této studie – použití robotů . Pochopte, jak se jednotlivé buňky spojují, komunikují a specializují se na vytvoření většího organismu, jak to dělají v přírodě, aby vytvořily žábu nebo člověka. Jedná se o nový modelový systém, který může tvořit základ obnovitelné medicíny.

Xenoboti a jejich dědicové mohou také poskytnout vhled do toho, jak mnohobuněčné organismy vznikly z pre-extracelulárních organismů, a původ zpracování informací, rozhodování a rozpoznávání biologických organismů.

Uznávajíc nesmírnou budoucnost této technologie založili Tufts University a University of Vermont Institut pro počítačové organizmy (ICDO), který bude oficiálně spuštěn v nadcházejících měsících a bude sdružovat zdroje z každé univerzity a externí zdroje pro živobytí. Roboti se stále sofistikovanějšími schopnostmi.

Odkaz: „Mobilní platforma pro vývoj syntetických životních strojů“, autor: Douglas Blackstone, Emma Lederer, Sam Krigman, Simon Garnier, Joshua Bongard a Michael Levin, 31. března 2021, Vědecká robotika.
DOI: 10.1126 / scirobotics.abf1571

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.