Xenobots: Levende, biologiske roboter som arbeider i svermer

I 2020 kom en ny livsform til jorden. Mer spesifikt kom den til et laboratorium - Levin Laboratory ved Tufts University i Massachusetts. Når det gjelder fremmede arter, var dette ingen små grønne menn eller noen annen science-fiction-klisjé. De så mer ut som små sorte flekker av fin sand som beveget seg sakte rundt i en petriskål. Og selv om de ikke er fremmede i den utenomjordiske definisjonen, er de absolutt i den forstand at de er merkelige. Disse såkalte "xenobotene" er levende, biologiske automater som kanskje bare signaliserer fremtiden til robotikk slik vi kjenner den.

"Disse passer ikke til den klassiske definisjonen av en organisme fordi de ikke kan reprodusere - selv om dette fra et sikkerhetssynspunkt [er] en egenskap og ikke en defekt." Douglas Blackiston, en seniorforsker ved Allen Discovery Center ved Tufts University, fortalte Digital Trends. "De kan klassifiseres som en "ufullkommen organisme." Jeg tror imidlertid de kvalifiserer som roboter. Selv om de lever, er de bygget fra grunnen av for et bestemt formål. Dette er ikke noe som noen gang har eller noen gang kan eksistere i naturen - det er en menneskeskapt konstruksjon."

Svermer av levende roboter

La oss sikkerhetskopiere. I fjor skapte forskere ved Tufts verdens første bittesmå, levende, selvdrevne roboter. Disse xenobotene er designet for å fungere i en sverm: Gå, svømme, skyve pellets, bære nyttelast og jobbe sammen for å "samle seg" rusk spredt langs overflaten av fatet deres i pene hauger." De er i stand til å overleve i flere uker uten mat og helbrede seg selv etterpå rifter. Oh, og de er laget av froskebiter, rekonfigurert av en A.I.

For å lage xenobotene tok Tufts-forskerne hudceller fra ferske froskeembryoer (froskearten kalles en Xenopus laevis) og oppmuntret dem til å "starte flercellet på nytt" i et nytt miljø. Frigjort fra resten av embryoet, dannet disse hudcellene hva Michael Levin, vitenskapsmannen som Levin Lab er oppkalt etter, kaller en "proto-skapning", komplett med sin egen unike struktur og oppførsel.

Mens Tufts-forskerne skapte de fysiske xenobot-organismene, jobbet forskere parallelt ved University of Vermont brukte en superdatamaskin til å kjøre simuleringer for å prøve å finne måter å sette sammen disse levende robotene for å kunne utføre nyttige oppgaver.

"Vi bruker A.I. å "utvikle" forskjellige robotdesigner i en virtuell verden," sa Blackiston. "Datamaskinen får en oppgave, som å "lage en robot som kan gå i en rett linje", og den setter sammen millioner av forskjellige kombinasjoner av virtuelle celler til det løser problemet … Datamaskinen gir meg en blåkopi, og jeg begynner å jobbe med å koble sammen cellene for å tjene til livets opphold versjon. Så på en måte tar jeg bestillinger fra datamaskinen.»

An innledende oppgave om arbeidet, et prinsippbevis på at levende roboter eksisterer, og at A.I. kan designe dem til å gjøre enkle ting, ble publisert i fjor. Et annet papir, nylig publisert i Vitenskap Robotikk, viser at det er tatt skritt for å gjøre disse til nyttige verktøy.

Det komplementære spørsmålet

Tradisjonell utviklingsbiologi har fokusert på standard modellsystemer, slik som fruktfluen, musen og frosken, og hvordan genomene deres koder for maskinvare som skaper en viss type kropp. Xenobotene Levin og hans medforskere jobber med det han fortalte Digital Trends er det "komplementære spørsmålet." Dette gjelder "omprogrammerbarhet av livets programvare," og om genetisk normale celler blir lokket til å bygge noe som er ganske forskjellig fra deres biologisk mislighold.

"Jeg tror dette er begynnelsen på en ny tilnærming der en myriade av nye livsformer legges til standardverktøysettet til biologer som gjør dem i stand til å spørre hvor kroppsplaner kommer fra, hvordan samarbeid mellom celler fungerer, hvordan cellulær kollektiv intelligens implementeres, og hvordan vi kan stimulere cellegrupper til å lage hva vi vil.» sa Levin. "Ikke bare kaster dette lys over forholdet mellom genom og anatomi - siden xenobotene våre har en helt standard frosk genomet — men det muliggjør også nyttige syntetiske levende maskiner, og gir oss en ny sandkasse der vi kan forstå reglene for morfogenese."

Ideen om biologiske roboter er ikke ny. Faktisk er det uten tvil før den moderne oppfatningen av roboter som stort sett robuste, metalliske enheter. Robotene som ble forestilt av den tsjekkiske dramatikeren Karel Čapek, som laget begrepet «robot» i sitt science-fiction-skuespill fra 1920 Rossums Universal Robots er av biologisk natur. De er laget i en fabrikk med syntetisk organisk materiale, noe som gjør dem mer lik den moderne ideen om androider enn maskiner.

Andre virkelige forskere har også forsøkt å kombinere natur- og maskinverdenen på interessante måter. EU-finansiert Flora Robotica-programmet har som mål å "utvikle og undersøke nært knyttet symbiotiske forhold mellom roboter og naturlige planter og å utforske potensialene til en plante-robot samfunn i stand til å produsere arkitektoniske gjenstander og oppholdsrom." Et prosjekt finansiert av Office of Naval Research fokuserer i mellomtiden på konstruksjonen av en insekthær av cyborggresshopper som bærer ryggsekk for å utføre oppgaver som bombedeteksjon. Ved Zhejiang University i Kina har forskere laget et oppsett som lar mennesker gjøre det tankekontrollere bevegelsene til rotter ved hjelp av en teknologi som kalles et hjerne-hjerne-grensesnitt. I fjor bygde forskere ved Stanford University inn laveffekt mikroelektronikk i levende maneter med mål om å forbedre deres naturlige fremdrift. Og så videre.

En ny biologisk organisme

Forskjellen mellom disse prosjektene og xenobotene er at sistnevnte ikke bare bruker teknologiske komponenter for å øke evnene til en biologisk organisme; den skaper en helt ny biologisk organisme som kan – eller i det minste vil – kontrolleres som en helt kunstig robot.

"A.I.-designede xenobots eksploderer definisjonene av både robot og organisme fordi de legemliggjør egenskapene til begge," Josh Bongard, en professor ved University of Vermonts avdeling for informatikk, fortalte Digital Trends. "De er som roboter fordi de er designet for å utføre noen nyttige funksjoner for mennesker autonomt. Men de er også organismer i den forstand at de er genetisk umodifiserte frosker, bare presset inn i veldig forskjellige former og funksjoner.»

Xenobots, lover skaperne deres, vil sannsynligvis ha en rekke forskjellige applikasjoner, både på lang og kort sikt. Levin antydet at muligheter på kort sikt kan inkludere miljøopprydding og sensing, siden bruken av amfibieceller brukes å leve i vann med utendørs temperatur, som er biologisk nedbrytbart på omtrent en uke, kan gjøre dem perfekt egnet for disse scenarier. Robotene kan metabolisere farlige kjemikalier og registrere små mengder forurensninger. De har til og med grunnleggende, for tiden primitive, måter å registrere miljøopplevelser på - ved å gløde rødt og endre form når de utsettes for visse forhold.

"På miljøsiden kan disse brukes til biodeteksjon og bioremediering," sa Blackiston. "Vi kan programmere de levende robotene til å registrere forurensninger, og forhåpentligvis finne dem og ødelegge dem. Når de er ferdige med jobben, kan de bryte ned ufarlig i miljøet, [uten å legge igjen] noe kunstig avfall.»

Den langsiktige visjonen er fokusert på regenerativ medisin. "Nesten alle problemer innen biomedisin - traumatisk skade, aldring, kreft, fødselsskader - kan være beseiret hvis vi visste hvordan vi skulle motivere cellekollektiver til å bygge hvilke komplekse organer vi måtte ønske,» sa Levin.

Forskerne spekulerer i at det vil være mulig å bygge roboter av ulike celletyper for ulike bruksområder. "Du kan tenke deg å bruke et lignende system for å levere medisiner til en menneskelig pasient, eller hjelpe i reparasjonsprosessen etter en skade," sa Blackiston. "Hvis laget av en pasients egne stamceller, ville det tillate oss å lage biokompatible roboter som fjernes fra pasienten naturlig etter at de er ferdige med jobben."

Løser utfordringene

Det er fortsatt mye mer arbeid å gjøre før dette stadiet er nådd. En utfordring er hvordan man best kan kontrollere robotene. "[Dette problemet] er foreløpig et fullstendig mysterium," sa Bongard. "Vi jobber med dette, og vi håper å ha nye overraskelser å rapportere om i en ikke så fjern fremtid."

Blackiston sa at ett konsept innebærer å programmere robotene med medfødt biologisk atferd, som potensielt kan utvikle seg etter hvert som de blir eldre. Med andre ord kan xenobotene bli "født" med ett formål, og deretter bytte til et annet når de blir eldre.

Et annet hinder innebærer å øke hastigheten på produksjonen av robotene. For tiden må xenobots bygges for hånd, en prosess som, bemerket Blackiston, "krever mye tid under mikroskopet og mye finmotorisk kontroll." Forskerne ser på måter å tilpasse 3D-bioprintere for å automatisere hele prosessen, noe som resulterer i en slags transportbåndproduksjonslinje for levende roboter.

En ting som er sikkert: Vi kommer sannsynligvis til å høre mye mer om xenobots ettersom tiden går. "Xeno" i navnet deres kan holde seg, men disse vil sannsynligvis bli mye mer kjent for verden i årene som kommer.

Redaktørenes anbefalinger

• Møt den skiftende pitching-roboten som perfekt kan etterligne ethvert menneskekast
• Møt Digit: Den strutsebeinte roboten som kanskje en dag kan levere deg pakker
• Møt Ghost Robotics, Boston Dynamics av ​​kamproboter
• Hacking av fotosyntese: Kan kunstige blader gi næring til fremtiden?
• Møt roboten som hjelper leger med å behandle koronaviruspasienter