Xenobots: levende, biologische robots die in zwermen werken

In 2020 arriveerde een nieuwe levensvorm op aarde. Meer specifiek kwam het terecht in een laboratorium: het Levin Laboratory aan de Tufts University in Massachusetts. Zoals uitheemse soorten heten, waren dit geen kleine groene mannetjes of welk sciencefictioncliché dan ook. Ze leken meer op kleine zwarte stipjes fijn zand die langzaam rondbewogen in een petrischaaltje. En hoewel ze niet buitenaards zijn in de buitenaardse definitie, zijn ze dat zeker in de zin dat ze vreemd zijn. Deze zogenaamde ‘xenobots’ zijn levende, biologische automaten die misschien wel de toekomst van de robotica zoals wij die kennen, kunnen signaleren.

“Deze passen niet in de klassieke definitie van een organisme, omdat ze zich niet kunnen voortplanten – ook al is dit vanuit veiligheidsoogpunt een kenmerk en geen defect,” Douglas Blackiston, een senior wetenschapper in het Allen Discovery Center van Tufts University, aan Digital Trends. “Ze kunnen worden geclassificeerd als een ‘imperfect organisme’. Ik denk echter dat ze wel als robots kunnen worden aangemerkt. Ook al leven ze, ze zijn vanaf de grond opgebouwd voor een specifiek doel. Dit is niet iets dat ooit in de natuur heeft bestaan ​​of ooit zou kunnen bestaan; het is een door de mens gemaakte constructie.”

Zwermen levende robots

Laten we een back-up maken. Vorig jaar creëerden onderzoekers van Tufts 's werelds eerste kleine, levende, zelfaangedreven robots. Deze xenobots zijn ontworpen om in een zwerm te functioneren: lopen, zwemmen, pellets duwen, ladingen dragen en samenwerken om “de puin verspreidde zich over het oppervlak van hun schotel in nette stapels. Ze kunnen wekenlang zonder voedsel overleven en zichzelf daarna genezen snijwonden. Oh, en ze zijn gemaakt van stukjes kikker, opnieuw geconfigureerd door een A.I.

Om de xenobots te maken, namen de Tufts-onderzoekers huidcellen van verse kikkerembryo’s (de soort kikker wordt een Xenopus laevis) en moedigde hen aan om “hun meercelligheid opnieuw op te starten” in een nieuwe omgeving. Bevrijd van de rest van het embryo vormden deze huidcellen wat Michaël Levin, de wetenschapper naar wie het Levin Lab is vernoemd, noemt een ‘protowezen’, compleet met zijn eigen unieke structuur en gedrag.

Terwijl de Tufts-wetenschappers de fysieke xenobot-organismen creëerden, werkten onderzoekers parallel aan de Universiteit van Vermont gebruikte een supercomputer om simulaties uit te voeren en manieren te vinden om deze levende robots in elkaar te zetten om nuttige taken uit te voeren. taken.

“Wij gebruiken A.I. om verschillende robotontwerpen te ‘evolueren’ in een virtuele wereld”, aldus Blackiston. “De computer krijgt een taak, zoals ‘maak een robot die in een rechte lijn kan lopen’, en stelt miljoenen verschillende combinaties van virtuele cellen totdat het het probleem oplost … De computer geeft me dan een blauwdruk, en ik ga aan de slag met het verbinden van de cellen om de kost te verdienen versie. Dus in zekere zin neem ik orders op via de computer.’

Een eerste paper over het werk, een bewijs van het principe dat levende robots bestaan, en dat A.I. kan ze ontwerpen om eenvoudige dingen te doen, werd vorig jaar gepubliceerd. Een tweede papier, onlangs gepubliceerd in Wetenschap Robotica, laat zien dat er stappen zijn ondernomen om hiervan bruikbare hulpmiddelen te maken.

De complementaire vraag

De traditionele ontwikkelingsbiologie heeft zich geconcentreerd op standaardmodelsystemen, zoals de fruitvlieg, de muis en de kikker, en hoe hun genomen hardware coderen die een bepaald soort lichaam creëert. De xenobots Levin en zijn collega-onderzoekers werken aan wat hij tegen Digital Trends zei: de ‘complementaire vraag’. Het betreft hier de ‘herprogrammeerbaarheid van de software van het leven’, en of genetisch normale cellen ertoe kunnen worden verleid iets te bouwen dat heel anders is dan hun biologische standaard.

“Ik denk dat dit het begin is van een nieuwe aanpak waarbij een groot aantal nieuwe levensvormen worden toegevoegd aan de standaard gereedschapskist van biologen, waardoor ze zich kunnen afvragen waar lichaamsplannen vandaan komen, hoe samenwerking tussen cellen werkt, hoe cellulaire collectieve intelligentie wordt geïmplementeerd en hoe we celgroepen kunnen stimuleren om te maken wat we maar willen.” zei Levin. “Dit werpt niet alleen licht op de relatie tussen genoom en anatomie – aangezien onze xenobots een volledig standaard kikker hebben genoom – maar het maakt ook bruikbare synthetische levende machines mogelijk, en geeft ons een nieuwe zandbak waarin we de regels ervan kunnen begrijpen morfogenese.”

Het idee van biologische robots is niet nieuw. In feite dateert het aantoonbaar van vóór de moderne opvatting van robots als grotendeels robuuste, metalen entiteiten. De robots bedacht door de Tsjechische toneelschrijver Karel Čapek, die de term ‘robot’ bedacht in zijn sciencefictiontoneelstuk uit 1920 Rossum's universele robots zijn biologisch van aard. Ze worden gemaakt in een fabriek met behulp van synthetisch organisch materiaal, waardoor ze meer lijken op het moderne idee van androïden dan op machines.

Andere real-life onderzoekers hebben ook geprobeerd de natuurlijke en machinale wereld op interessante manieren te combineren. Door de Europese Unie gefinancierd Flora Robotica-programma heeft tot doel “nauw verbonden symbiotische relaties tussen robots en natuurlijke planten te ontwikkelen en te onderzoeken en de mogelijkheden van een plant-robot te verkennen samenleving in staat om architectonische artefacten en woonruimtes te produceren.” Een project gefinancierd door het Office of Naval Research richt zich ondertussen op de constructie van een insectenleger van cyborg-sprinkhanen met rugzakken voor het uitvoeren van taken zoals bomdetectie. Aan de Zhejiang Universiteit in China hebben onderzoekers een opstelling gecreëerd waarmee mensen dat kunnen mind-control de bewegingen van ratten door middel van een technologie die een brein-brein-interface wordt genoemd. Vorig jaar hebben onderzoekers van Stanford University ingebed micro-elektronica met laag vermogen in levende kwallen met als doel hun natuurlijke voortstuwing te verbeteren. Enzovoort.

Een nieuw biologisch organisme

Het verschil tussen deze projecten en de xenobots is dat deze niet simpelweg technische componenten gebruiken om de capaciteiten van een biologisch organisme te vergroten; het creëert een geheel nieuw biologisch organisme dat kan – of in ieder geval zal – worden bestuurd als een volledig kunstmatige robot.

“Door AI ontworpen xenobots ontkrachten de definities van zowel robot als organisme, omdat ze eigenschappen van beide belichamen,” Josh Bongard, vertelde een professor aan de afdeling Computerwetenschappen van de Universiteit van Vermont aan Digital Trends. “Ze lijken op robots omdat ze zijn ontworpen om autonoom een ​​nuttige functie voor mensen uit te voeren. Maar het zijn ook organismen in de zin dat het genetisch ongemodificeerde kikkers zijn, die gewoon in heel verschillende vormen en functies zijn geduwd.”

Xenobots, zo beloven de makers, zullen waarschijnlijk een aantal verschillende toepassingen hebben, zowel op de lange als op de korte termijn. Levin suggereerde dat de mogelijkheden op korte termijn het opruimen en waarnemen van het milieu zouden kunnen omvatten, aangezien het gebruik van amfibiecellen door te leven in water op buitentemperatuur, dat binnen ongeveer een week biologisch afbreekbaar is, zouden ze daar perfect geschikt voor kunnen zijn scenario's. De bots kunnen gevaarlijke chemicaliën metaboliseren en kleine hoeveelheden verontreinigende stoffen waarnemen. Ze beschikken zelfs over basale, momenteel primitieve manieren om omgevingservaringen vast te leggen – door rood te gloeien en van vorm te veranderen wanneer ze aan bepaalde omstandigheden worden blootgesteld.

"Wat het milieu betreft, zouden deze kunnen worden gebruikt voor biodetectie en bioremediatie", zei Blackiston. “We zouden de levende robots kunnen programmeren om vervuilende stoffen te detecteren, en ze hopelijk op te sporen en te vernietigen. Als ze eenmaal klaar zijn met hun werk, kunnen ze onschadelijk in het milieu terechtkomen, zonder enig kunstmatig afval achter te laten.”

De langere termijnvisie is gericht op regeneratieve geneeskunde. “Bijna alle problemen van de biogeneeskunde – traumatisch letsel, veroudering, kanker, geboorteafwijkingen – zouden dat kunnen zijn We zouden verslagen zijn als we wisten hoe we celcollectieven konden motiveren om de complexe organen te bouwen die we maar wilden”, zegt hij Levin.

De onderzoekers speculeren dat het mogelijk zal zijn om bots te bouwen uit verschillende celtypen voor verschillende gebruiksscenario's. “Je kunt je voorstellen dat je een soortgelijk systeem gebruikt om medicijnen toe te dienen bij een menselijke patiënt, of om te helpen bij het herstelproces na een blessure”, zegt Blackiston. “Als het zou worden gemaakt van de eigen stamcellen van een patiënt, zouden we biocompatibele robots kunnen maken die op natuurlijke wijze uit de patiënt worden verwijderd nadat ze hun werk hebben gedaan.”

Het oplossen van de uitdagingen

Er is nog veel werk te doen voordat dit stadium wordt bereikt. Eén uitdaging betreft de manier waarop de bots het beste kunnen worden bestuurd. “[Dit probleem] blijft voorlopig een compleet mysterie”, zei Bongard. “We werken hieraan en we hopen in de niet al te verre toekomst nieuwe verrassingen te melden.”

Blackiston zei dat één concept het programmeren van de bots met aangeboren biologisch gedrag omvat, dat mogelijk zou kunnen evolueren naarmate ze ouder worden. Met andere woorden: de xenobots kunnen met één doel worden ‘geboren’ en vervolgens naar een ander doel overschakelen naarmate ze ouder worden.

Een andere hindernis is het versnellen van de productie van de bots. Momenteel moeten xenobots met de hand worden gebouwd, een proces dat, zo merkte Blackiston op, “veel tijd onder de microscoop en veel fijne motorische controle vergt.” De onderzoekers kijken naar manieren om 3D-bioprinters aan te passen om het hele proces te automatiseren, resulterend in een soort lopende bandproductielijn voor levende robots.

Eén ding is zeker: we zullen in de loop van de tijd waarschijnlijk nog veel meer over xenobots horen. De ‘xeno’ in hun naam blijft misschien hangen, maar deze zullen de komende jaren waarschijnlijk een stuk bekender worden in de wereld.

Aanbevelingen van de redactie

• Maak kennis met de baanbrekende pitchingrobot die elke menselijke worp perfect kan nabootsen
• Maak kennis met Digit: de robot met struisvogelpoten die op een dag misschien wel pakketjes bij je bezorgt
• Maak kennis met Ghost Robotics, de Boston Dynamics van gevechtsbots
• Fotosynthese hacken: kunnen kunstmatige bladeren de toekomst voeden?
• Maak kennis met de robot die artsen helpt bij de behandeling van coronaviruspatiënten