Xenoboti: Živí, biologickí roboti, ktorí pracujú v rojoch

V roku 2020 prišla na Zem nová forma života. Presnejšie povedané, dorazilo do laboratória - Levinovho laboratória na Tufts University v Massachusetts. Čo sa týka mimozemských druhov, neboli to žiadni malí zelení mužíci ani iné sci-fi klišé. Vyzerali skôr ako malé čierne bodky jemného piesku, ktoré sa pomaly pohybovali v Petriho miske. A hoci nie sú mimozemšťania v mimozemskej definícii, určite sú v tom zmysle, že sú čudní. Tieto takzvané „xenoboty“ sú živé biologické automaty, ktoré môžu signalizovať budúcnosť robotiky, ako ju poznáme.

"Nezodpovedajú klasickej definícii organizmu, pretože sa nemôžu reprodukovať - ​​hoci z hľadiska bezpečnosti je to vlastnosť a nie chyba," Douglas Blackiston, vedúci vedecký pracovník v Allen Discovery Center na Tufts University, povedal pre Digital Trends. „Mohli by byť klasifikovaní ako ‚nedokonalý organizmus‘. Myslím si však, že sa kvalifikujú ako roboty. Aj keď sú živé, sú od základov postavené na konkrétny účel. Nie sú to niečo, čo v prírode niekedy existovalo alebo by mohlo existovať – je to ľudská konštrukcia.

Roje živých robotov

Vráťme sa. Minulý rok vedci z Tufts vytvorili prvé malé, živé roboty s vlastným pohonom na svete. Tieto xenoboty boli navrhnuté tak, aby fungovali v roji: chôdza, plávanie, tlačenie peliet, prenášanie užitočného zaťaženia a spoločná práca na „hromadení úlomky rozhádzané po povrchu ich misky na úhľadné kôpky.“ Dokážu prežiť týždne bez jedla a potom sa vyliečiť tržné rany. Ach, a sú vyrobené z kúskov žaby, prekonfigurovaných pomocou A.I.

Na vytvorenie xenobotov vzali výskumníci Tufts kožné bunky z čerstvých žabích embryí (druh žaby sa nazýva Xenopus laevis) a povzbudil ich, aby „reštartovali svoju mnohobunkovosť“ v novom prostredí. Tieto kožné bunky, oslobodené od zvyšku embrya, vytvorili čo Michael Levin, vedec, po ktorom je pomenované laboratórium Levin, nazýva „proto-stvorenie“ s vlastnou jedinečnou štruktúrou a správaním.

Keď vedci Tufts vytvárali fyzické organizmy xenobotov, výskumníci pracujúci paralelne na univerzite Vermont použil superpočítač na spustenie simulácií, aby sa pokúsil nájsť spôsoby, ako poskladať tieto živé roboty, aby boli užitočné. úlohy.

„Používame A.I. na ‚vývoj‘ rôznych dizajnov robotov vo virtuálnom svete,“ povedal Blackiston. „Počítač dostane úlohu, ako napríklad ‚vyrobiť robota, ktorý môže chodiť po priamke‘, a zostaví milióny rôznych kombinácií virtuálne bunky, kým nevyrieši problém... Počítač mi potom dá plán a ja sa pustím do práce spájania buniek, aby som zarobil na živobytie verzia. Takže istým spôsobom prijímam príkazy z počítača."

An úvodný referát o práci, dôkaz princípu, že živé roboty existujú a že A.I. môže ich navrhnúť tak, aby robili jednoduché veci, vyšla minulý rok. Druhý papier, nedávno uverejnené v Vedecká robotika, ukazuje, že boli podniknuté kroky, aby sa z nich stali užitočné nástroje.

Doplňujúca otázka

Tradičná vývojová biológia sa zamerala na štandardné modelové systémy, ako je ovocná muška, myš a žaba, a na to, ako ich genómy kódujú hardvér, ktorý vytvára určitý druh tela. Xenoboti Levin a jeho kolegovia výskumníci pracujú na tom, čo pre Digital Trends označil za „doplňujúcu otázku“. Týka sa to „preprogramovateľnosť softvéru života“ a či sú geneticky normálne bunky zlákané vybudovať niečo, čo je úplne odlišné od ich biologické zlyhanie.

„Myslím si, že toto je začiatok nového prístupu, v ktorom sa do štandardnej sady nástrojov biológov pridáva nespočetné množstvo nových foriem života, čo im umožňuje pýtať sa, kde bodyplans vychádzajú z toho, ako funguje spolupráca medzi bunkami, ako sa implementuje bunková kolektívna inteligencia a ako môžeme stimulovať bunkové skupiny, aby robili čokoľvek, čo chceme,“ povedal Levin. „Nielenže to vrhá svetlo na vzťah medzi genómom a anatómiou – keďže naše xenoboty majú úplne štandardnú žabu genóm — ale tiež umožňuje užitočné syntetické živé stroje a dáva nám nový pieskový priestor, v ktorom môžeme pochopiť pravidlá morfogenéza“.

Myšlienka biologických robotov nie je nová. V skutočnosti pravdepodobne predchádza modernej koncepcii robotov ako prevažne robustných kovových entít. Roboti, ktorých si predstavoval český dramatik Karel Čapek, ktorý vo svojej vedecko-fantastickej hre z roku 1920 vymyslel pojem „robot“. Rossumove univerzálne roboty majú biologickú povahu. Sú vytvorené v továrni s použitím syntetického organického materiálu, vďaka čomu sa viac podobajú modernej myšlienke androidov ako strojov.

Iní výskumníci v reálnom živote sa tiež snažili skombinovať prírodný a strojový svet zaujímavým spôsobom. Financované Európskou úniou Program Flora Robotica si kladie za cieľ „rozvinúť a preskúmať úzko prepojené symbiotické vzťahy medzi robotmi a prírodnými rastlinami a preskúmať potenciál rastlinného robota spoločnosť schopná produkovať architektonické artefakty a obytné priestory. Projekt financovaný Úradom pre námorný výskum sa medzitým zameriava na výstavbu z an hmyzia armáda kyborgských kobyliek s batohmi na vykonávanie úloh, ako je detekcia bômb. Na univerzite Zhejiang v Číne vedci vytvorili zariadenie, ktoré ľuďom umožňuje mysľou ovládať pohyby potkanov prostredníctvom technológie nazývanej mozgovo-mozgové rozhranie. Minulý rok výskumníci zo Stanfordskej univerzity vložili mikroelektronika s nízkym výkonom v živých medúzach s cieľom zlepšiť ich prirodzený pohon. A tak ďalej.

Nový biologický organizmus

Rozdiel medzi týmito projektmi a xenobotmi je v tom, že xenoboty jednoducho nepoužívajú technické komponenty na rozšírenie schopností biologického organizmu; vytvára úplne nový biologický organizmus, ktorý možno – alebo aspoň bude – ovládať ako úplne umelý robot.

„Xenoboty navrhnuté AI rozširujú definície robota aj organizmu, pretože stelesňujú vlastnosti oboch,“ Josh Bongard, profesor na Katedre počítačovej vedy Vermontskej univerzity, povedal pre Digital Trends. „Sú ako roboty, pretože sú navrhnuté tak, aby autonómne vykonávali nejakú užitočnú funkciu pre ľudí. Ale sú to tiež organizmy v tom zmysle, že sú to geneticky nemodifikované žaby, len natlačené do veľmi odlišných foriem a funkcií.“

Xenoboty, sľubujú ich tvorcovia, budú mať pravdepodobne množstvo rôznych aplikácií, či už v ďalekej alebo blízkej budúcnosti. Levin navrhol, že krátkodobé možnosti by mohli zahŕňať čistenie a snímanie prostredia, pretože sa používajú bunky obojživelníkov na život vo vode s vonkajšou teplotou, ktorá je biologicky odbúrateľná približne za týždeň, by sa na to mohli dokonale hodiť scenárov. Roboty dokážu metabolizovať nebezpečné chemikálie a vnímať malé množstvá znečisťujúcich látok. Majú dokonca základné, v súčasnosti primitívne spôsoby zaznamenávania environmentálnych skúseností – žiarením na červeno a zmenou tvaru, keď sú vystavené určitým podmienkam.

"Z hľadiska životného prostredia by sa mohli použiť na biodetekciu a bioremediáciu," povedal Blackiston. „Mohli by sme naprogramovať živé roboty, aby vnímali znečisťujúce látky a dúfajme, že ich vyhľadáme a zničíme. Akonáhle dokončia svoju prácu, [potom by sa mohli] neškodne rozpadnúť v prostredí, [bez toho, aby za sebou zanechali] akýkoľvek umelý odpad.“

Dlhodobejšia vízia je zameraná na regeneratívnu medicínu. „Takmer všetky problémy biomedicíny – traumatické poranenia, starnutie, rakovina, vrodené chyby – môžu byť porazený, keby sme vedeli, ako motivovať bunkové kolektívy, aby vytvorili akékoľvek zložité orgány, ktoré chceme,“ povedal Levin.

Výskumníci špekulujú, že bude možné postaviť roboty z rôznych typov buniek pre rôzne prípady použitia. "Dokázali by ste si predstaviť použitie podobného systému na podávanie liekov ľudskému pacientovi alebo na pomoc pri oprave po zranení," povedal Blackiston. "Ak by boli vyrobené z vlastných kmeňových buniek pacienta, umožnilo by nám to vyrábať biokompatibilné roboty, ktoré sa po skončení práce od pacienta prirodzene vymažú."

Riešenie výziev

Pred dosiahnutím tejto fázy je potrebné vykonať ešte veľa práce. Jedna výzva sa týka toho, ako najlepšie ovládať roboty. „[Tento problém] zostáva zatiaľ úplnou záhadou,“ povedal Bongard. "Pracujeme na tom a dúfame, že budeme mať v nie príliš vzdialenej budúcnosti správy o nových prekvapeniach."

Blackiston povedal, že jeden koncept zahŕňa programovanie robotov s vrodeným biologickým správaním, ktoré by sa mohlo potenciálne vyvíjať, keď starnú. Inými slovami, xenoboty by sa mohli „narodiť“ s jedným účelom a potom, ako starnú, prejsť na iný.

Ďalšou prekážkou je urýchlenie výroby robotov. V súčasnosti sa xenoboty musia stavať ručne, čo je proces, ktorý, ako poznamenal Blackiston, „vyžaduje veľa času pod mikroskopom a veľké množstvo jemnej motorickej kontroly“. Výskumníci hľadajú spôsoby, ako prispôsobiť 3D biotlačiarne na automatizáciu celého procesu, výsledkom čoho je akási výrobná linka s dopravníkovým pásom pre živé roboty.

Jedna vec je istá: Je pravdepodobné, že časom budeme o xenobotoch počuť oveľa viac. „Xeno“ v ich názve by sa mohlo držať, ale v nasledujúcich rokoch sa svetu pravdepodobne stanú oveľa známejšími.

Odporúčania redaktorov

• Zoznámte sa s novým nadhadzovacím robotom, ktorý dokáže dokonale napodobniť akýkoľvek ľudský hod
• Zoznámte sa s Digit: Robot s pštrosími nohami, ktorý vám jedného dňa môže doručiť balíčky
• Zoznámte sa s Ghost Robotics, Boston Dynamics bojových robotov
• Hackovanie fotosyntézy: Mohli by umelé listy poháňať budúcnosť?
• Zoznámte sa s robotom, ktorý pomáha lekárom liečiť pacientov s koronavírusom