Xenoboty: żywe, biologiczne roboty pracujące w rojach

W 2020 roku na Ziemię przybyła nowa forma życia. Mówiąc dokładniej, przybył do laboratorium – Levin Laboratory na Uniwersytecie Tufts w Massachusetts. Jak to bywa z gatunkami obcymi, nie byli to mali, zielone ludziki ani żaden inny stereotyp science-fiction. Wyglądały bardziej jak maleńkie czarne plamki drobnego piasku poruszające się powoli na szalce Petriego. I chociaż nie są obce w definicji pozaziemskiej, z pewnością są w tym sensie, że są dziwni. Te tak zwane „ksenoboty” to żywe, biologiczne automaty, które mogą po prostu sygnalizować przyszłość robotyki, jaką znamy.

„Nie pasują one do klasycznej definicji organizmu, ponieważ nie mogą się rozmnażać, chociaż z punktu widzenia bezpieczeństwa jest to cecha, a nie wada” – dodał. Douglasa Blackistona, starszy naukowiec w Allen Discovery Center na Uniwersytecie Tufts, powiedział Digital Trends. „Można je sklasyfikować jako «organizm niedoskonały». Myślę jednak, że można je nazwać robotami. Mimo że żyją, są budowane od podstaw w określonym celu. To nie jest coś, co kiedykolwiek istniało lub mogłoby kiedykolwiek istnieć w naturze – to konstrukcja stworzona przez człowieka.

Roje żywych robotów

Cofnijmy się. W zeszłym roku naukowcy z Tufts stworzyli pierwsze na świecie maleńkie, żywe roboty o własnym napędzie. Te ksenoboty zostały zaprojektowane do działania w roju: chodzenia, pływania, pchania kulek, przenoszenia ładunków i wspólnej pracy w celu „agregacji” gruz rozrzucony po powierzchni naczynia w schludne stosy. Są w stanie przetrwać tygodnie bez jedzenia, a potem się leczyć skaleczenia. Aha, i są zrobione z kawałków żaby, ponownie skonfigurowanych przez sztuczną inteligencję.

Aby stworzyć ksenoboty, badacze Tufts pobrali komórki skóry z zarodków świeżych żab (gatunek żaby nazywa się Xenopus laevis) i zachęcił ich do „ponownego uruchomienia wielokomórkowości” w nowym środowisku. Uwolnione od reszty zarodka komórki skóry utworzyły co Michaela Levina, naukowiec, od którego imienia nazwano Laboratorium Levina, nazywa „proto-istotą” posiadającą własną, unikalną strukturę i zachowanie.

Podczas gdy naukowcy z Tufts tworzyli fizyczne organizmy ksenobotów, naukowcy pracujący równolegle na Uniwersytecie im Vermont użył superkomputera do przeprowadzenia symulacji w celu znalezienia sposobów składania żywych robotów w celu wykonywania użytecznych zadania.

„Korzystamy ze sztucznej inteligencji. „ewoluować” różne projekty robotów w wirtualnym świecie” – powiedział Blackiston. „Komputer otrzymuje zadanie, na przykład „zbuduj robota, który będzie mógł chodzić po linii prostej”, i składa miliony różnych kombinacji wirtualne komórki, dopóki nie rozwiąże problemu… Następnie komputer daje mi plan, a ja zabieram się do pracy, łącząc komórki, aby zarabiać na życie wersja. W pewnym sensie wykonuję polecenia z komputera.

Jakiś wstępna praca na temat pracy, dowód na istnienie żywych robotów i obecność sztucznej inteligencji. można zaprojektować je do robienia prostych rzeczy, opublikowano w zeszłym roku. Drugi artykuł, opublikowany niedawno w Nauka Robotykapokazuje, że podjęto kroki, aby przekształcić je w przydatne narzędzia.

Pytanie uzupełniające

Tradycyjna biologia rozwoju skupiała się na standardowych systemach modelowych, takich jak muszka owocowa, mysz i żaba, oraz na tym, jak ich genomy kodują sprzęt, który tworzy określony rodzaj ciała. Ksenoboty Levin i jego koledzy badacze pracują nad tym, co według Digital Trends jest „kwestią uzupełniającą”. Dotyczy to „przeprogramowalność oprogramowania życia” i czy genetycznie normalne komórki dadzą się nakłonić do zbudowania czegoś, co całkowicie różni się od ich niedomyślność biologiczna.

„Myślę, że to początek nowego podejścia, w ramach którego do standardowego zestawu narzędzi biologów dodawanych jest niezliczona ilość nowych form życia, które umożliwiają im zadawanie pytań, gdzie skąd pochodzą plany ciała, jak działa współpraca między komórkami, jak wdrażana jest zbiorowa inteligencja komórkowa i jak możemy stymulować grupy komórkowe, aby robiły, co chcemy.” – powiedział Levin. „Nie tylko rzuca to światło na związek między genomem a anatomią — ponieważ nasze ksenoboty mają całkowicie standardową żabę genom — ale umożliwia także wykorzystanie użytecznych, syntetycznych żywych maszyn i daje nam nową piaskownicę, w której możemy zrozumieć zasady morfogeneza.”

Pomysł robotów biologicznych nie jest nowy. W rzeczywistości prawdopodobnie poprzedza współczesną koncepcję robotów jako w dużej mierze wytrzymałych, metalowych bytów. Roboty wymyślone przez czeskiego dramaturga Karela Čapka, który w swojej sztuce science-fiction z 1920 roku ukuł termin „robot” Roboty uniwersalne Rossum mają charakter biologiczny. Tworzone są w fabryce przy użyciu syntetycznego materiału organicznego, co upodabnia je bardziej do współczesnej idei androidów niż maszyn.

Inni prawdziwi badacze również próbowali w interesujący sposób połączyć świat naturalny i maszynowy. Finansowane przez Unię Europejską programu Flora Robotica ma na celu „rozwój i badanie ściśle powiązanych symbiotycznych relacji między robotami i naturalnymi roślinami oraz badanie potencjału rośliny-robota społeczeństwo zdolne do wytwarzania artefaktów architektonicznych i przestrzeni życiowych.” Tymczasem projekt finansowany przez Biuro Badań Marynarki Wojennej skupia się na budowie z armia owadów noszących plecaki cyborgów szarańczy do wykonywania zadań takich jak wykrywanie bomb. Na Uniwersytecie Zhejiang w Chinach naukowcy stworzyli układ, który umożliwia to ludziom kontrolują umysły ruchy szczurów za pomocą technologii zwanej interfejsem mózg-mózg. W ubiegłym roku naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opuścili ten obszar mikroelektroniki małej mocy w żywych meduzach w celu wzmocnienia ich naturalnego napędu. I tak dalej.

Nowy organizm biologiczny

Różnica między tymi projektami a ksenobotami polega na tym, że te ostatnie nie wykorzystują po prostu komponentów technologicznych w celu zwiększenia możliwości organizmu biologicznego; tworzy całkowicie nowy organizm biologiczny, który można – lub przynajmniej będzie – sterować jak całkowicie sztuczny robot.

„Zaprojektowane przez sztuczną inteligencję ksenoboty podważają definicje zarówno robota, jak i organizmu, ponieważ ucieleśniają cechy obu” Josha Bongarda, profesor na Wydziale Informatyki Uniwersytetu w Vermont, powiedział Digital Trends. „Są jak roboty, ponieważ zostały zaprojektowane do samodzielnego wykonywania pewnych przydatnych funkcji dla ludzi. Ale są to także organizmy w tym sensie, że są genetycznie niezmodyfikowanymi żabami, po prostu zepchniętymi w zupełnie inne formy i funkcje”.

Ksenoboty, jak obiecują ich twórcy, prawdopodobnie będą miały wiele różnych zastosowań, zarówno w perspektywie długoterminowej, jak i bliższej. Levin zasugerował, że krótkoterminowe możliwości mogą obejmować oczyszczanie środowiska i wykrywanie czujników, ponieważ wykorzystano komórki płazów do życia w wodzie o temperaturze zewnętrznej, która ulega biodegradacji w ciągu około tygodnia, może sprawić, że idealnie się do tego nadają scenariusze. Boty potrafią metabolizować niebezpieczne chemikalia i wyczuwać niewielkie ilości substancji zanieczyszczających. Mają nawet podstawowe, obecnie prymitywne sposoby rejestrowania doświadczeń środowiskowych — świecą na czerwono i zmieniają kształt pod wpływem określonych warunków.

„Z punktu widzenia ochrony środowiska można je wykorzystać do biodetekcji i bioremediacji” – stwierdził Blackiston. „Moglibyśmy zaprogramować żywe roboty tak, aby wykrywały zanieczyszczenia, a następnie, miejmy nadzieję, wyszukiwały je i niszczyły. Gdy zakończą swoją pracę, [mogą] rozłożyć się w sposób nieszkodliwy w środowisku, [nie pozostawiając] żadnych sztucznych odpadów”.

Długoterminowa wizja skupia się na medycynie regeneracyjnej. „Prawie wszystkie problemy biomedycyny – urazy, starzenie się, nowotwory, wady wrodzone – mogą być pokonani, gdybyśmy wiedzieli, jak motywować kolektywy komórkowe do budowy dowolnych złożonych narządów” – powiedział Levina.

Naukowcy spekulują, że możliwe będzie budowanie botów z różnych typów komórek do różnych zastosowań. „Można wyobrazić sobie podobny system do podawania leków pacjentowi lub wspomagania procesu naprawy po urazie” – powiedział Blackiston. „Jeśli byłby on wykonany z komórek macierzystych pacjenta, umożliwiłby nam stworzenie biokompatybilnych robotów, które są usuwane z organizmu pacjenta w sposób naturalny po zakończeniu pracy”.

Rozwiązywanie wyzwań

Zanim ten etap zostanie osiągnięty, pozostaje jeszcze wiele do zrobienia. Jedno z wyzwań dotyczy tego, jak najlepiej kontrolować boty. „[Ten problem] pozostaje na razie całkowitą tajemnicą” – powiedział Bongard. „Pracujemy nad tym i mamy nadzieję, że w niezbyt odległej przyszłości będziemy mieli okazję poinformować o nowych niespodziankach”.

Blackiston powiedział, że jedna z koncepcji obejmuje programowanie botów za pomocą wrodzonych zachowań biologicznych, które mogą potencjalnie ewoluować wraz z wiekiem. Innymi słowy, ksenoboty mogą „rodzić się” w jednym celu, a w miarę starzenia się zmieniać się na inny.

Kolejną przeszkodą jest przyspieszenie produkcji botów. Obecnie ksenoboty muszą być budowane ręcznie, a proces ten, jak zauważył Blackiston, „wymaga dużo czasu pod mikroskopem i dużej kontroli motorycznej”. Naukowcy szukają sposobów przystosowania biodrukarek 3D do automatyzacji całego procesu, w wyniku czego powstanie coś w rodzaju linii produkcyjnej przenośników taśmowych dla żywych robotów.

Jedno jest pewne: z biegiem czasu prawdopodobnie usłyszymy o ksenobotach znacznie więcej. „xeno” w ich nazwie może się utrzymać, ale w nadchodzących latach prawdopodobnie staną się one znacznie bardziej znane światu.

Zalecenia redaktorów

• Poznaj rewolucyjnego robota rzucającego, który doskonale naśladuje każdy ludzki rzut
• Poznaj Digit: robota o strusich nogach, który pewnego dnia może dostarczyć Ci paczki
• Poznaj Ghost Robotics, Boston Dynamics wśród botów bojowych
• Hakowanie fotosyntezy: czy sztuczne liście mogą napędzać przyszłość?
• Poznaj robota pomagającego lekarzom leczyć pacjentów z koronawirusem