Xenobots: Lebende, biologische Roboter, die in Schwärmen arbeiten

Im Jahr 2020 kam eine neue Lebensform auf die Erde. Genauer gesagt gelangte es in ein Labor – das Levin Laboratory an der Tufts University in Massachusetts. Für außerirdische Arten waren dies keine kleinen grünen Männchen oder irgendein anderes Science-Fiction-Klischee. Sie sahen eher aus wie winzige schwarze Körner aus feinem Sand, die sich langsam in einer Petrischale bewegten. Und obwohl sie in der außerirdischen Definition nicht fremd sind, sind sie es auf jeden Fall in dem Sinne, dass sie seltsam sind. Diese sogenannten „Xenobots“ sind lebende, biologische Automaten, die möglicherweise die Zukunft der Robotik, wie wir sie kennen, einläuten.

„Diese passen nicht zur klassischen Definition eines Organismus, weil sie sich nicht vermehren können – obwohl dies aus Sicherheitsgründen ein Merkmal und kein Defekt ist.“ Douglas Blackiston, ein leitender Wissenschaftler am Allen Discovery Center der Tufts University, sagte gegenüber Digital Trends. „Sie könnten als ‚unvollkommener Organismus‘ eingestuft werden. Ich denke jedoch, dass sie als Roboter gelten.“ Obwohl sie leben, sind sie von Grund auf für einen bestimmten Zweck gebaut. Das ist nichts, was jemals in der Natur existiert hat oder jemals existieren könnte – es ist eine von Menschen geschaffene Konstruktion.“

Schwärme lebender Roboter

Gehen wir zurück. Letztes Jahr haben Forscher von Tufts die ersten winzigen, lebenden, autarken Roboter der Welt geschaffen. Diese Xenobots wurden so konzipiert, dass sie in einem Schwarm funktionieren: Gehen, Schwimmen, Pellets schieben, Nutzlasten tragen und zusammenarbeiten, um „zu aggregieren“. Die Trümmer verteilten sich auf der Oberfläche ihrer Schüssel in ordentlichen Haufen.“ Sie können wochenlang ohne Nahrung überleben und sich danach selbst heilen Schnittwunden. Oh, und sie bestehen aus Froschstücken, die von einer KI neu konfiguriert wurden.

Um die Xenobots zu erschaffen, entnahmen die Tufts-Forscher Hautzellen von frischen Froschembryonen (die Froschart heißt a Xenopus laevis) und ermutigte sie, „ihre Vielzelligkeit neu zu starten“ in einer neuen Umgebung. Vom Rest des Embryos befreit, bildeten diese Hautzellen was Michael Levin, der Wissenschaftler, nach dem das Levin-Labor benannt ist, nennt es ein „Proto-Kreatur“, komplett mit seiner eigenen einzigartigen Struktur und seinem eigenen Verhalten.

Während die Tufts-Wissenschaftler die physischen Xenobot-Organismen erschufen, arbeiteten parallel Forscher an der Universität von Vermont nutzte einen Supercomputer, um Simulationen durchzuführen, um Wege zu finden, diese lebenden Roboter so zusammenzubauen, dass sie eine nützliche Leistung erbringen Aufgaben.

„Wir nutzen K.I. um verschiedene Roboterdesigns in einer virtuellen Welt zu „entwickeln“, sagte Blackiston. „Dem Computer wird eine Aufgabe gegeben, etwa ‚einen Roboter zu bauen, der in einer geraden Linie laufen kann‘, und er setzt Millionen verschiedener Kombinationen daraus zusammen.“ virtuelle Zellen, bis das Problem gelöst ist … Der Computer gibt mir dann einen Bauplan und ich mache mich an die Arbeit, die Zellen zu verbinden, um meinen Lebensunterhalt zu verdienen Ausführung. Ich nehme also gewissermaßen Befehle vom Computer entgegen.“

Ein erstes Papier über die Arbeit, ein Grundsatzbeweis dafür, dass es lebende Roboter gibt und dass K.I. can design them to do simple thing, wurde letztes Jahr veröffentlicht. Ein zweiter Aufsatz, kürzlich veröffentlicht in Wissenschaftsrobotikzeigt, dass Schritte unternommen wurden, um daraus nützliche Werkzeuge zu machen.

Die ergänzende Frage

Die traditionelle Entwicklungsbiologie hat sich auf Standardmodellsysteme wie die Fruchtfliege, die Maus und den Frosch konzentriert und darauf, wie ihre Genome Hardware kodieren, die eine bestimmte Art von Körper erschafft. Die Xenobots Levin und seine Forscherkollegen arbeiten an der „Komplementärfrage“, wie er Digital Trends nannte. Dies betrifft die „Umprogrammierbarkeit der Software des Lebens“ und ob genetisch normale Zellen dazu verleitet werden, etwas zu bauen, das sich von ihren eigenen unterscheidet biologischer Standard.

„Ich denke, dies ist der Beginn eines neuen Ansatzes, bei dem eine Vielzahl neuartiger Lebensformen zum Standard-Werkzeugkasten von Biologen hinzugefügt werden, der es ihnen ermöglicht, zu fragen, wo „Körperpläne entstehen dadurch, wie die Zusammenarbeit zwischen Zellen funktioniert, wie zelluläre kollektive Intelligenz umgesetzt wird und wie wir Zellgruppen dazu anregen können, das zu tun, was wir wollen.“ sagte Levin. „Dies wirft nicht nur Licht auf die Beziehung zwischen Genom und Anatomie – da unsere Xenobots einen ganz normalen Frosch haben Genom – aber es ermöglicht auch nützliche synthetische lebende Maschinen und gibt uns einen neuen Sandkasten, in dem wir die Regeln verstehen können Morphogenese.“

Die Idee biologischer Roboter ist nicht neu. Tatsächlich ist es vermutlich älter als die moderne Vorstellung von Robotern als größtenteils robuste, metallische Einheiten. Die Roboter, die sich der tschechische Dramatiker Karel Čapek ausgedacht hat, der 1920 in seinem Science-Fiction-Stück den Begriff „Roboter“ prägte Rossums Universalroboter sind biologischer Natur. Sie werden in einer Fabrik aus synthetischem organischem Material hergestellt, wodurch sie eher der modernen Vorstellung von Androiden als Maschinen ähneln.

Auch andere reale Forscher haben versucht, die Natur- und Maschinenwelt auf interessante Weise zu verbinden. Von der Europäischen Union finanziert Flora Robotica-Programm zielt darauf ab, „eng verknüpfte symbiotische Beziehungen zwischen Robotern und natürlichen Pflanzen zu entwickeln und zu untersuchen und die Potenziale eines Pflanzen-Roboters zu erforschen.“ Gesellschaft, die in der Lage ist, architektonische Artefakte und Lebensräume zu produzieren.“ Ein vom Office of Naval Research finanziertes Projekt konzentriert sich unterdessen auf den Bau eines Insektenarmee rucksacktragender Cyborg-Heuschrecken zur Durchführung von Aufgaben wie der Bombenerkennung. An der Zhejiang-Universität in China haben Forscher einen Aufbau geschaffen, der es Menschen ermöglicht Die Bewegungen von Ratten gedanklich kontrollieren über eine Technologie namens Gehirn-Gehirn-Schnittstelle. Letztes Jahr haben Forscher der Stanford University eingebettet Mikroelektronik mit geringem Stromverbrauch in lebenden Quallen mit dem Ziel, ihren natürlichen Antrieb zu stärken. Und so weiter.

Ein neuer biologischer Organismus

Der Unterschied zwischen diesen Projekten und den Xenobots besteht darin, dass letztere nicht einfach technische Komponenten verwenden, um die Fähigkeiten eines biologischen Organismus zu verbessern; Es entsteht ein völlig neuer biologischer Organismus, der wie ein völlig künstlicher Roboter gesteuert werden kann – oder zumindest wird.

„Von KI entworfene Xenobots sprengen die Definitionen von Roboter und Organismus, weil sie Merkmale beider verkörpern.“ Josh Bongard, Professor am Fachbereich Informatik der University of Vermont, sagte gegenüber Digital Trends. „Sie ähneln Robotern, weil sie darauf ausgelegt sind, autonom nützliche Funktionen für den Menschen auszuführen. Aber sie sind auch Organismen in dem Sinne, dass sie genetisch unveränderte Frösche sind, die nur in ganz andere Formen und Funktionen gebracht wurden.“

Xenobots, so versprechen ihre Erfinder, dürften sowohl auf lange als auch auf kurze Sicht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten haben. Levin schlug vor, dass zu den kurzfristigen Möglichkeiten auch die Umweltsanierung und die Sensorik gehören könnten, da Amphibienzellen zum Einsatz kommen Wasser, das in Außentemperatur gehalten wird und in etwa einer Woche biologisch abbaubar ist, könnte sie perfekt für diese Zwecke geeignet machen Szenarien. Die Bots können gefährliche Chemikalien verstoffwechseln und kleinste Mengen Schadstoffe wahrnehmen. Sie verfügen sogar über grundlegende, derzeit primitive Möglichkeiten, Umwelterlebnisse aufzuzeichnen – indem sie rot leuchten und ihre Form ändern, wenn sie bestimmten Bedingungen ausgesetzt werden.

„Im Umweltbereich könnten diese zur biologischen Erkennung und biologischen Sanierung genutzt werden“, sagte Blackiston. „Wir könnten die lebenden Roboter so programmieren, dass sie Schadstoffe wahrnehmen und sie hoffentlich aufspüren und zerstören. Sobald sie ihre Arbeit erledigt haben, könnten sie sich harmlos in der Umwelt zersetzen, ohne dass künstlicher Abfall zurückbleibt.“

Die längerfristige Vision konzentriert sich auf die regenerative Medizin. „Fast alle Probleme der Biomedizin – traumatische Verletzungen, Alterung, Krebs, Geburtsfehler – könnten auftreten besiegt, wenn wir wüssten, wie wir Zellkollektive dazu motivieren können, beliebige komplexe Organe aufzubauen“, sagte er Levin.

Die Forscher spekulieren, dass es möglich sein wird, Bots aus verschiedenen Zelltypen für unterschiedliche Anwendungsfälle zu bauen. „Man könnte sich vorstellen, ein ähnliches System zu verwenden, um einem menschlichen Patienten Medikamente zu verabreichen oder den Reparaturprozess nach einer Verletzung zu unterstützen“, sagte Blackiston. „Wenn es aus den eigenen Stammzellen eines Patienten hergestellt würde, könnten wir biokompatible Roboter herstellen, die nach Abschluss ihrer Arbeit auf natürliche Weise vom Patienten entfernt werden.“

Die Herausforderungen lösen

Es gibt noch viel zu tun, bevor dieses Stadium erreicht ist. Eine Herausforderung besteht darin, die Bots am besten zu kontrollieren. „[Dieses Problem] bleibt vorerst ein völliges Rätsel“, sagte Bongard. „Wir arbeiten daran und hoffen, in nicht allzu ferner Zukunft über neue Überraschungen berichten zu können.“

Blackiston sagte, dass ein Konzept darin besteht, die Bots mit angeborenen biologischen Verhaltensweisen zu programmieren, die sich möglicherweise mit zunehmendem Alter weiterentwickeln könnten. Mit anderen Worten: Die Xenobots könnten mit einem Zweck „geboren“ werden und dann mit zunehmendem Alter zu einem anderen wechseln.

Eine weitere Hürde besteht darin, die Produktion der Bots zu beschleunigen. Derzeit müssen Xenobots von Hand gebaut werden, ein Prozess, der, wie Blackiston anmerkte, „viel Zeit unter dem Mikroskop und viel Feinmotorik erfordert“. Die Forscher suchen nach Möglichkeiten, 3D-Biodrucker anzupassen, um den gesamten Prozess zu automatisieren und so eine Art Fließbandproduktionslinie für lebende Roboter zu schaffen.

Eines ist sicher: Wir werden im Laufe der Zeit wahrscheinlich noch viel mehr über Xenobots hören. Das „Xeno“ in ihrem Namen mag erhalten bleiben, aber diese werden der Welt in den kommenden Jahren wahrscheinlich noch viel bekannter werden.

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