Xenobot: robot biologici viventi che lavorano in sciami

Nel 2020, una nuova forma di vita è arrivata sulla Terra. Più specificamente, è arrivato in un laboratorio: il Levin Laboratory della Tufts University nel Massachusetts. Per quanto riguarda le specie aliene, questi non erano piccoli uomini verdi o qualsiasi altro cliché di fantascienza. Sembravano più piccoli granelli neri di sabbia fine che si muovevano lentamente in una capsula di Petri. E sebbene non siano alieni nella definizione extraterrestre, lo sono certamente nel senso che sono strani. Questi cosiddetti “xenobot” sono automi biologici viventi che potrebbero semplicemente segnalare il futuro della robotica come la conosciamo.

"Questi non rientrano nella definizione classica di organismo perché non possono riprodursi, anche se dal punto di vista della sicurezza questa [è] una caratteristica e non un difetto", Douglas Blackiston, uno scienziato senior dell'Allen Discovery Center della Tufts University, ha dichiarato a Digital Trends. “Potrebbero essere classificati come un ‘organismo imperfetto’. Penso, tuttavia, che si qualifichino come robot. Anche se sono viventi, sono costruiti da zero per uno scopo specifico. Questi non sono qualcosa che sia mai esistito, o che potrebbe mai, esistere in natura: è una costruzione creata dall’uomo”.

Sciami di robot viventi

Facciamo un backup. L’anno scorso, i ricercatori del Tufts hanno creato i primi piccoli robot viventi e autoalimentati al mondo. Questi xenobot sono stati progettati per funzionare in uno sciame: camminare, nuotare, spingere pellet, trasportare carichi utili e lavorare insieme per "aggregare" detriti sparsi lungo la superficie del piatto in mucchi ordinati. Sono in grado di sopravvivere per settimane senza cibo e poi di curarsi lacerazioni. Oh, e sono fatti di pezzetti di rana, riconfigurati da un'intelligenza artificiale.

Per creare gli xenobot, i ricercatori del Tufts hanno prelevato cellule della pelle da embrioni freschi di rana (la specie di rana è chiamata Xenopus laevis) e li ha incoraggiati a “riavviare la loro multicellularità” in un nuovo ambiente. Liberate dal resto dell'embrione, queste cellule della pelle formarono cosa Michele Levin, lo scienziato da cui prende il nome il Levin Lab, chiama una "proto-creatura", completa di struttura e comportamento unici.

Mentre gli scienziati del Tufts creavano gli organismi fisici xenobot, i ricercatori lavoravano in parallelo presso l'Università di Il Vermont ha utilizzato un supercomputer per eseguire simulazioni e cercare di trovare il modo di assemblare questi robot viventi per eseguire operazioni utili. compiti.

“Utilizziamo l’A.I. per “evolvere” diversi progetti di robot in un mondo virtuale”, ha affermato Blackiston. “Al computer viene assegnato un compito, come ‘creare un robot che possa camminare in linea retta’, e assembla milioni di combinazioni diverse di cellule virtuali finché non risolve il problema... Il computer poi mi dà un progetto e mi metto al lavoro collegando le cellule per guadagnarmi da vivere versione. Quindi, in un certo senso, prendo ordini dal computer”.

UN documento iniziale sull'opera, una prova di principio che esistono robot viventi e che l'A.I. possono progettarli per fare cose semplici, è stato pubblicato l'anno scorso. Un secondo documento, pubblicato recentemente in Robotica scientifica, dimostra che sono stati compiuti passi avanti per trasformarli in strumenti utili.

La questione complementare

La biologia dello sviluppo tradizionale si è concentrata su sistemi modello standard, come il moscerino della frutta, il topo e la rana, e su come i loro genomi codificano l’hardware che crea un certo tipo di corpo. Gli xenobot Levin e i suoi colleghi ricercatori stanno lavorando su quella che, secondo Digital Trends, è la “domanda complementare”. Ciò riguarda il “riprogrammabilità del software della vita” e se le cellule geneticamente normali possano essere indotte a costruire qualcosa che sia molto diverso dal loro default biologico.

“Penso che questo sia l’inizio di un nuovo approccio in cui una miriade di nuove forme di vita vengono aggiunte al kit di strumenti standard dei biologi che consente loro di chiedere dove provengono i progetti corporei, come funziona la cooperazione tra le cellule, come viene implementata l’intelligenza collettiva cellulare e come possiamo stimolare i gruppi cellulari a fare ciò che vogliamo”, Ha detto Levin. “Questo non solo fa luce sulla relazione tra genoma e anatomia, poiché i nostri xenobot hanno una rana totalmente standard genoma, ma abilita anche utili macchine viventi sintetiche e ci fornisce una nuova sandbox in cui comprenderne le regole morfogenesi”.

L’idea dei robot biologici non è nuova. In effetti, probabilmente è antecedente alla concezione moderna dei robot come entità metalliche in gran parte robuste. I robot immaginati dal drammaturgo ceco Karel Čapek, che coniò il termine “robot” nella sua opera di fantascienza del 1920 I robot universali di Rossum sono di natura biologica. Sono creati in una fabbrica utilizzando materiale organico sintetico, rendendoli più simili all'idea moderna di androidi che di macchine.

Anche altri ricercatori della vita reale hanno cercato di combinare il mondo naturale e quello delle macchine in modi interessanti. Finanziato dall’Unione Europea Programma Flora Robotica mira a “sviluppare e indagare relazioni simbiotiche strettamente legate tra robot e piante naturali e ad esplorare le potenzialità di un robot-pianta società in grado di produrre artefatti architettonici e spazi abitativi”. Un progetto finanziato dall'Ufficio di ricerca navale, nel frattempo, si concentra sulla costruzione di un esercito di insetti di locuste cyborg che indossano uno zaino per svolgere compiti come il rilevamento di bombe. All’Università di Zhejiang, in Cina, i ricercatori hanno creato una configurazione che consente agli esseri umani di farlo controllare mentalmente i movimenti dei ratti attraverso una tecnologia chiamata interfaccia cervello-cervello. L'anno scorso, i ricercatori della Stanford University hanno incorporato microelettronica a bassa potenza nelle meduse vive con l’obiettivo di potenziare la loro propulsione naturale. E così via.

Un nuovo organismo biologico

La differenza tra questi progetti e gli xenobot è che questi ultimi non utilizzano semplicemente componenti tecnologici per aumentare le capacità di un organismo biologico; crea un organismo biologico completamente nuovo che può – o, almeno, sarà – controllato come un robot completamente artificiale.

“Gli xenobot progettati dall’intelligenza artificiale superano le definizioni sia di robot che di organismo perché incarnano i tratti di entrambi”, Josh Bongard, professore presso il Dipartimento di Informatica dell'Università del Vermont, ha dichiarato a Digital Trends. “Sono come i robot perché sono progettati per svolgere autonomamente alcune funzioni utili per gli esseri umani. Ma sono anche organismi nel senso che sono rane geneticamente non modificate, semplicemente spinte verso forme e funzioni molto diverse”.

Gli xenobot, promettono i loro creatori, avranno probabilmente una serie di applicazioni diverse, sia a lungo che a breve termine. Levin ha suggerito che le possibilità a breve termine potrebbero includere la pulizia e il rilevamento dell'ambiente, poiché vengono utilizzate cellule di anfibi a vivere in acqua a temperatura esterna, che è biodegradabile in circa una settimana, potrebbe renderli perfettamente adatti a questi scenari. I robot possono metabolizzare sostanze chimiche pericolose e rilevare piccole quantità di inquinanti. Hanno anche modi basilari, attualmente primitivi, di registrare le esperienze ambientali: brillando di rosso e cambiando forma quando esposti a determinate condizioni.

“Dal punto di vista ambientale, questi potrebbero essere utilizzati per il biorilevamento e il biorisanamento”, ha affermato Blackiston. “Potremmo programmare i robot viventi per rilevare gli inquinanti e, si spera, individuarli e distruggerli. Una volta terminato il loro lavoro, [potrebbero] scomporsi in modo innocuo nell’ambiente, [senza lasciare] alcun rifiuto artificiale dietro di sé”.

La visione a lungo termine è focalizzata sulla medicina rigenerativa. “Quasi tutti i problemi della biomedicina – lesioni traumatiche, invecchiamento, cancro, difetti congeniti – potrebbero esserlo verrebbero sconfitti se sapessimo come motivare i collettivi cellulari a costruire qualunque organo complesso vogliamo”, ha detto Levin.

I ricercatori ipotizzano che sarà possibile costruire robot con diversi tipi di cellule per diversi casi d’uso. "Si potrebbe immaginare di utilizzare un sistema simile per somministrare farmaci a un paziente umano o per agevolare il processo di riparazione a seguito di un infortunio", ha affermato Blackiston. “Se realizzati con le cellule staminali di un paziente, ci consentirebbe di realizzare robot biocompatibili che verranno eliminati dal paziente in modo naturale dopo aver terminato il loro lavoro”.

Risolvere le sfide

C’è ancora molto lavoro da fare prima di raggiungere questa fase. Una sfida riguarda il modo migliore per controllare i robot. "[Questo problema] rimane, per ora, un completo mistero", ha detto Bongard. “Ci stiamo lavorando e speriamo di avere nuove sorprese da raccontare in un futuro non troppo lontano”.

Blackiston ha affermato che un concetto prevede la programmazione dei robot con comportamenti biologici innati, che potrebbero potenzialmente evolversi man mano che invecchiano. In altre parole, gli xenobot potrebbero “nascere” con uno scopo e poi passare ad un altro man mano che invecchiano.

Un altro ostacolo riguarda l’accelerazione della produzione dei robot. Attualmente, gli xenobot devono essere costruiti a mano, un processo che, ha osservato Blackiston, “richiede molto tempo sotto il microscopio e una grande quantità di controllo motorio”. I ricercatori stanno cercando modi per adattare le biostampanti 3D per automatizzare l’intero processo, risultando in una sorta di linea di produzione di nastri trasportatori per robot viventi.

Una cosa è certa: probabilmente sentiremo molto di più sugli xenobot col passare del tempo. Lo “xeno” nel loro nome potrebbe restare in giro, ma è probabile che diventino molto più familiari al mondo negli anni a venire.

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