Xenobots: Levende, biologiske robotter, der arbejder i sværme

I 2020 ankom en ny livsform til Jorden. Mere specifikt ankom det til et laboratorium - Levin Laboratory ved Tufts University i Massachusetts. Som fremmede arter går, var disse ikke små grønne mænd eller nogen anden science-fiction kliché. De lignede mere små sorte pletter af fint sand, der langsomt bevægede sig rundt i en petriskål. Og selvom de ikke er fremmede i den udenjordiske definition, er de det bestemt i den forstand, at de er mærkelige. Disse såkaldte "xenobots" er levende, biologiske automater, der måske bare signalerer fremtiden for robotteknologi, som vi kender den.

"Disse passer ikke til den klassiske definition af en organisme, fordi de ikke kan formere sig - selvom dette ud fra et sikkerhedssynspunkt [er] en egenskab og ikke en defekt." Douglas Blackiston, en seniorforsker i Allen Discovery Center ved Tufts University, fortalte Digital Trends. "De kunne klassificeres som en 'uperfekt organisme'. Jeg tror dog, de kvalificerer sig som robotter. Selvom de lever, er de bygget fra bunden til et bestemt formål. Disse er ikke noget, der nogensinde har eller nogensinde kunne eksistere i naturen - det er en menneskeskabt konstruktion."

Sværme af levende robotter

Lad os bakke op. Sidste år skabte forskere ved Tufts verdens første bittesmå, levende, selvdrevne robotter. Disse xenobots er designet til at fungere i en sværm: Gå, svømme, skubbe piller, bære nyttelast og arbejde sammen for at "samle affald spredt langs overfladen af ​​deres fad i pæne bunker." De er i stand til at overleve i uger uden mad og til at helbrede sig selv bagefter flænger. Åh, og de er lavet af frøstumper, omkonfigureret af en A.I.

For at skabe xenobotterne tog Tufts-forskerne hudceller fra friske frøembryoner (frøarten kaldes en Xenopus laevis) og opfordrede dem til at "genstarte deres multicellularitet" i et nyt miljø. Befriet fra resten af ​​embryonet dannede disse hudceller hvad Michael Levin, videnskabsmanden, som Levin Lab er opkaldt efter, kalder en "proto-skabning", komplet med sin egen unikke struktur og adfærd.

Da Tufts-forskerne skabte de fysiske xenobot-organismer, arbejdede forskere sideløbende ved University of Vermont brugte en supercomputer til at køre simuleringer for at prøve at finde måder at samle disse levende robotter for at kunne udføre nyttige opgaver.

"Vi bruger A.I. at ’udvikle’ forskellige robotdesigns i en virtuel verden,” sagde Blackiston. "Computeren får en opgave som at "lave en robot, der kan gå i en lige linje", og den samler millioner af forskellige kombinationer af virtuelle celler, indtil det løser problemet … Computeren giver mig så en plan, og jeg går i gang med at forbinde cellerne for at leve af version. Så på en måde tager jeg imod ordrer fra computeren."

An indledende papir om arbejdet, et principbevis på, at der findes levende robotter, og at A.I. kan designe dem til at gøre simple ting, blev offentliggjort sidste år. Et andet papir, udgivet for nylig i Videnskab robotik, viser, at der er taget skridt til at gøre disse til nyttige værktøjer.

Det supplerende spørgsmål

Traditionel udviklingsbiologi har fokuseret på standardmodelsystemer, såsom frugtfluen, musen og frøen, og hvordan deres genom koder hardware, der skaber en bestemt slags krop. Xenobots Levin og hans medforskere arbejder på, hvad han fortalte Digital Trends er det "komplementære spørgsmål." Dette vedrører "omprogrammerbarheden af ​​livets software", og om genetisk normale celler bliver lokket til at bygge noget, der er helt anderledes end deres biologisk misligholdelse.

"Jeg tror, ​​at dette er begyndelsen på en ny tilgang, hvor et utal af nye livsformer føjes til biologernes standardværktøjssæt, der sætter dem i stand til at spørge, hvor kropsplaner kommer fra, hvordan samarbejde mellem celler fungerer, hvordan cellulær kollektiv intelligens implementeres, og hvordan vi kan stimulere cellegrupper til at lave, hvad vi vil." sagde Levin. "Dette kaster ikke kun lys over forholdet mellem genom og anatomi - da vores xenobots har en fuldstændig standardfrø genomet — men det muliggør også nyttige syntetiske levende maskiner og giver os en ny sandkasse, hvor vi kan forstå reglerne for morfogenese."

Ideen om biologiske robotter er ikke ny. Faktisk går det uden tvivl før den moderne opfattelse af robotter som stort set robuste, metalliske enheder. Robotterne forestillet af den tjekkiske dramatiker, Karel Čapek, som opfandt udtrykket "robot", i sit science-fiction-skuespil fra 1920 Rossums Universal Robots er af biologisk natur. De er skabt på en fabrik ved hjælp af syntetisk organisk materiale, hvilket gør dem mere lig den moderne idé om androider end maskiner.

Andre forskere fra det virkelige liv har også forsøgt at kombinere natur- og maskinverdenen på interessante måder. EU-finansieret Flora Robotica program har til formål at "udvikle og undersøge tæt forbundne symbiotiske forhold mellem robotter og naturlige planter og at udforske potentialerne i en plante-robot samfund i stand til at producere arkitektoniske artefakter og opholdsrum." Et projekt finansieret af Office of Naval Research fokuserer i mellemtiden på konstruktionen af en insekthær af cyborggræshopper i rygsæk til udførelse af opgaver som bombedetektion. På Zhejiang University i Kina har forskere skabt et setup, der gør det muligt for mennesker sind-kontrollere rotternes bevægelser ved hjælp af en teknologi kaldet en hjerne-hjerne-grænseflade. Sidste år indlejrede forskere ved Stanford University laveffekt mikroelektronik i levende vandmænd med det mål at forbedre deres naturlige fremdrift. Og så videre.

En ny biologisk organisme

Forskellen mellem disse projekter og xenobots er, at sidstnævnte ikke blot bruger teknologiske komponenter til at øge en biologisk organismes evner; det skaber en helt ny biologisk organisme, der kan - eller i det mindste vil - styres som en helt kunstig robot.

"A.I.-designede xenobots eksploderer definitionerne af både robot og organisme, fordi de legemliggør træk ved begge," Josh Bongard, en professor ved University of Vermonts afdeling for datalogi, fortalte Digital Trends. "De er som robotter, fordi de er designet til at udføre en eller anden nyttig funktion for mennesker autonomt. Men de er også organismer i den forstand, at de er genetisk umodificerede frøer, bare skubbet ind i meget forskellige former og funktioner."

Xenobots, deres skabere lover, vil sandsynligvis have en række forskellige applikationer, både på langt sigt og på kort sigt. Levin foreslog, at muligheder på kort sigt kunne omfatte miljøoprydning og sansning, da brugen af ​​amfibieceller anvendes at leve i vand med udendørs temperatur, som er biologisk nedbrydeligt på omkring en uge, kunne gøre dem perfekt egnede til disse scenarier. Botterne kan omsætte farlige kemikalier og mærke små mængder forurenende stoffer. De har endda grundlæggende, i øjeblikket primitive, måder at registrere miljøoplevelser på - ved at gløde rødt og ændre form, når de udsættes for visse forhold.

"På miljøsiden kan disse bruges til biodetektion og bioremediering," sagde Blackiston. "Vi kunne programmere de levende robotter til at mærke forurenende stoffer og forhåbentlig til at opsøge dem og ødelægge dem. Når de er færdige med deres arbejde, [kunne de] nedbryde uskadeligt i miljøet, [uden at efterlade] noget kunstigt affald."

Den langsigtede vision er fokuseret på regenerativ medicin. "Næsten alle problemer inden for biomedicin - traumatisk skade, aldring, kræft, fødselsdefekter - kan være besejret, hvis vi vidste, hvordan vi skulle motivere cellekollektiver til at bygge de komplekse organer, vi vil have,” sagde Levin.

Forskerne spekulerer i, at det vil være muligt at bygge bots ud af forskellige celletyper til forskellige anvendelsestilfælde. "Du kunne forestille dig at bruge et lignende system til at levere medicin til en menneskelig patient eller hjælpe med reparationsprocessen efter en skade," sagde Blackiston. "Hvis det er lavet af en patients egne stamceller, ville det give os mulighed for at lave biokompatible robotter, der fjernes fra patienten naturligt, efter de er færdige med deres arbejde."

Løsning af udfordringerne

Der er stadig meget mere arbejde at gøre, før dette stadie er nået. En udfordring involverer, hvordan man bedst kontrollerer bots. "[Dette problem] forbliver indtil videre et komplet mysterium," sagde Bongard. "Vi arbejder på dette, og vi håber at have nye overraskelser at rapportere om i en ikke alt for fjern fremtid."

Blackiston sagde, at et koncept involverer programmering af bots med medfødt biologisk adfærd, som potentielt kan udvikle sig, efterhånden som de bliver ældre. Med andre ord kan xenobotterne "fødes" med ét formål og derefter skifte til et andet, når de bliver ældre.

En anden forhindring involverer at fremskynde produktionen af ​​bots. I øjeblikket skal xenobots bygges i hånden, en proces, der, bemærkede Blackiston, "kræver en masse tid under mikroskopet og en hel del finmotorisk kontrol." Forskerne ser på måder at tilpasse 3D-bioprintere til at automatisere hele processen, hvilket resulterer i en slags transportbåndsproduktionslinje til levende robotter.

En ting, der er sikker: Vi vil sandsynligvis høre meget mere om xenobots, efterhånden som tiden går. "Xenoen" i deres navn kan blive ved, men disse vil sandsynligvis blive meget mere velkendte for verden i de kommende år.

Redaktørens anbefalinger

• Mød den skiftende pitching-robot, der perfekt kan efterligne ethvert menneskeligt kast
• Mød Digit: Den strudsebenede robot, der måske en dag kan levere dig pakker
• Mød Ghost Robotics, Boston Dynamics af kamprobotter
• Hacking af fotosyntese: Kunne kunstige blade brænde for fremtiden?
• Mød robotten, der hjælper læger med at behandle coronavirus-patienter