Xenobots: robôs biológicos vivos que trabalham em enxames

Em 2020, uma nova forma de vida chegou à Terra. Mais especificamente, chegou a um laboratório – o Laboratório Levin da Universidade Tufts, em Massachusetts. No que diz respeito às espécies exóticas, estes não eram homenzinhos verdes ou qualquer outro clichê de ficção científica. Pareciam mais pequenas partículas pretas de areia fina movendo-se lentamente em uma placa de Petri. E embora não sejam alienígenas na definição de extraterrestre, certamente o são no sentido de que são estranhos. Esses chamados “xenobots” são autômatos biológicos vivos que podem apenas sinalizar o futuro da robótica como a conhecemos.

“Eles não se enquadram na definição clássica de organismo porque não podem se reproduzir – embora do ponto de vista de segurança isso seja uma característica e não um defeito”, Douglas Blackiston, cientista sênior do Allen Discovery Center da Tufts University, disse à Digital Trends. “Eles poderiam ser classificados como um ‘organismo imperfeito’. No entanto, acho que eles se qualificam como robôs. Embora estejam vivos, são construídos desde o início para um propósito específico. Isso não é algo que já existiu ou poderia existir na natureza – é uma construção feita pelo homem.”

Enxames de robôs vivos

Vamos voltar. No ano passado, pesquisadores da Tufts criaram os primeiros robôs minúsculos, vivos e autoalimentados do mundo. Esses xenobots foram projetados para funcionar em enxame: caminhar, nadar, empurrar bolinhas, carregar cargas úteis e trabalhar juntos para “agregar detritos espalhados ao longo da superfície do prato em pilhas organizadas.” Eles são capazes de sobreviver durante semanas sem comida e curar-se depois lacerações. Ah, e eles são feitos de pedaços de sapo, reconfigurados por uma IA.

Para criar os xenobots, os pesquisadores da Tufts retiraram células da pele de embriões frescos de rã (a espécie de rã é chamada de Xenopus laevis) e encorajou-os a “reiniciar a sua multicelularidade” num novo ambiente. Liberadas do resto do embrião, essas células da pele formaram o que Michael Levin, o cientista que dá nome ao Laboratório Levin, chama de “protocriatura”, completa com sua própria estrutura e comportamento únicos.

Enquanto os cientistas da Tufts criavam os organismos xenobôs físicos, pesquisadores trabalhando em paralelo na Universidade de Vermont usou um supercomputador para executar simulações e tentar encontrar maneiras de montar esses robôs vivos, a fim de executar tarefas úteis. tarefas.

“Usamos IA para ‘evoluir’ diferentes designs de robôs em um mundo virtual”, disse Blackiston. “O computador recebe uma tarefa, como ‘fazer um robô que possa andar em linha reta’, e monta milhões de combinações diferentes de células virtuais até resolver o problema... O computador então me dá um projeto e eu começo a trabalhar conectando as células para ganhar a vida versão. Então, de certa forma, estou recebendo ordens do computador.”

Um artigo inicial sobre o trabalho, uma prova de princípio de que existem robôs vivos e que a I.A. podemos projetá-los para fazer coisas simples, foi publicado no ano passado. Um segundo artigo, publicado recentemente em Robótica Científica, mostra que foram tomadas medidas para transformá-las em ferramentas úteis.

A questão complementar

A biologia do desenvolvimento tradicional concentrou-se em sistemas modelo padrão, como a mosca da fruta, o rato e a rã, e como os seus genomas codificam o hardware que cria um certo tipo de corpo. Os xenobots Levin e seus colegas pesquisadores estão trabalhando no que ele disse ao Digital Trends ser a “questão complementar”. Isto diz respeito ao “reprogramabilidade do software da vida”, e se as células geneticamente normais serão atraídas a construir algo que seja bastante diferente do seu padrão biológico.

“Penso que este é o início de uma nova abordagem em que uma miríade de novas formas de vida são adicionadas ao conjunto de ferramentas padrão dos biólogos que lhes permite perguntar onde de onde vêm os planos corporais, como funciona a cooperação entre as células, como a inteligência coletiva celular é implementada e como podemos estimular grupos de células a fazer o que quisermos”, Levin disse. “Isso não apenas esclarece a relação entre genoma e anatomia – já que nossos xenobots têm uma forma de sapo totalmente padrão. genoma - mas também permite máquinas vivas sintéticas úteis e nos dá uma nova caixa de areia para entender as regras de morfogênese.”

A ideia de robôs biológicos não é nova. Na verdade, é indiscutivelmente anterior à concepção moderna de robôs como entidades metálicas em grande parte robustas. Os robôs imaginados pelo dramaturgo tcheco Karel Čapek, que cunhou o termo “robô”, em sua peça de ficção científica de 1920 Robôs Universais de Rossum são de natureza biológica. Eles são criados em uma fábrica com material orgânico sintético, o que os torna mais parecidos com a ideia moderna de andróides do que com máquinas.

Outros pesquisadores da vida real também procuraram combinar o mundo natural e o mundo mecânico de maneiras interessantes. A iniciativa financiada pela União Europeia Programa Flora Robotica tem como objetivo “desenvolver e investigar relações simbióticas estreitamente ligadas entre robôs e plantas naturais e explorar os potenciais de uma planta-robô sociedade capaz de produzir artefatos arquitetônicos e espaços habitacionais”. Entretanto, um projecto financiado pelo Gabinete de Investigação Naval centra-se na construção de um exército de insetos de gafanhotos ciborgues que usam mochilas para realizar tarefas como detecção de bombas. Na Universidade de Zhejiang, na China, pesquisadores criaram uma configuração que permite aos humanos controlar a mente os movimentos dos ratos por meio de uma tecnologia chamada interface cérebro-cérebro. No ano passado, pesquisadores da Universidade de Stanford incorporaram microeletrônica de baixa potência em águas-vivas vivas com o objetivo de melhorar sua propulsão natural. E assim por diante.

Um novo organismo biológico

A diferença entre estes projetos e os xenobots é que estes últimos não utilizam simplesmente componentes tecnológicos para aumentar as capacidades de um organismo biológico; cria um organismo biológico inteiramente novo que pode – ou, pelo menos, será – ser controlado como um robô totalmente artificial.

“Os xenobots projetados por IA explodem as definições de robô e organismo porque incorporam características de ambos”, Josh Bongard, professor do Departamento de Ciência da Computação da Universidade de Vermont, disse ao Digital Trends. “Eles são como robôs porque são projetados para desempenhar alguma função útil para os humanos de forma autônoma. Mas também são organismos no sentido de que são sapos geneticamente não modificados, apenas transformados em formas e funções muito diferentes.”

Os Xenobots, prometem seus criadores, provavelmente terão uma série de aplicações diferentes, tanto no curto quanto no longo prazo. Levin sugeriu que as possibilidades de curto prazo poderiam incluir limpeza e detecção ambiental, uma vez que o uso de células anfíbias utilizadas viver em águas com temperatura externa, que são biodegradáveis ​​em cerca de uma semana, poderia torná-los perfeitamente adequados para estes cenários. Os bots podem metabolizar produtos químicos perigosos e detectar pequenas quantidades de poluentes. Eles ainda têm formas básicas, atualmente primitivas, de registrar experiências ambientais – brilhando em vermelho e mudando de forma quando expostos a certas condições.

“Do lado ambiental, estes poderiam ser usados ​​para biodetecção e biorremediação”, disse Blackiston. “Poderíamos programar os robôs vivos para detectar poluentes e, com sorte, procurá-los e destruí-los. Assim que terminarem o seu trabalho, [poderão então] decompor-se inofensivamente no ambiente, [sem deixar] quaisquer resíduos artificiais para trás.”

A visão de longo prazo está focada na medicina regenerativa. “Quase todos os problemas da biomedicina – lesões traumáticas, envelhecimento, câncer, defeitos congênitos – poderiam ser derrotados se soubéssemos como motivar coletivos de células a construir quaisquer órgãos complexos que quisermos”, disse Trovão.

Os pesquisadores especulam que será possível construir bots a partir de vários tipos de células diferentes para diferentes casos de uso. “Você poderia imaginar o uso de um sistema semelhante para administrar medicamentos a um paciente humano ou ajudar no processo de reparo após uma lesão”, disse Blackiston. “Se for feito a partir das células-tronco do próprio paciente, nos permitiria fabricar robôs biocompatíveis que seriam eliminados do paciente naturalmente após terminarem seu trabalho.”

Resolvendo os desafios

Ainda há muito trabalho a ser feito antes que esse estágio seja alcançado. Um desafio envolve a melhor forma de controlar os bots. “[Este problema] permanece, por enquanto, um mistério completo”, disse Bongard. “Estamos trabalhando nisso e esperamos ter novas surpresas para relatar em um futuro não muito distante.”

Blackiston disse que um conceito envolve programar os bots com comportamentos biológicos inatos, que poderiam evoluir à medida que envelhecem. Em outras palavras, os xenobots poderiam “nascer” com um propósito e depois mudar para outro à medida que envelhecem.

Outro obstáculo envolve acelerar a produção dos bots. Atualmente, os xenobots precisam ser construídos manualmente, um processo que, observou Blackiston, “requer muito tempo sob o microscópio e muito controle motor fino”. Os pesquisadores estão buscando maneiras de adaptar bioimpressoras 3D para automatizar todo o processo, resultando em uma espécie de linha de produção de esteira transportadora para robôs vivos.

Uma coisa é certa: provavelmente ouviremos muito mais sobre xenobots com o passar do tempo. O “xeno” em seu nome pode permanecer, mas é provável que se tornem muito mais familiares para o mundo nos próximos anos.

Recomendações dos Editores

• Conheça o robô arremessador revolucionário que pode imitar perfeitamente qualquer arremesso humano
• Conheça Digit: o robô com pernas de avestruz que um dia poderá entregar pacotes para você
• Conheça a Ghost Robotics, a Boston Dynamics dos bots de combate
• Hackeando a fotossíntese: as folhas artificiais poderiam alimentar o futuro?
• Conheça o robô que ajuda médicos a tratar pacientes com coronavírus