Xenobots: Levande, biologiska robotar som arbetar i svärmar

År 2020 anlände en ny livsform till jorden. Mer specifikt anlände det till ett labb - Levin Laboratory vid Tufts University i Massachusetts. Som främmande arter går, var dessa inga små gröna män eller någon annan science-fiction-klyscha. De såg mer ut som små svarta fläckar av fin sand som sakta rörde sig i en petriskål. Och även om de inte är främmande i den utomjordiska definitionen, är de verkligen i den meningen att de är konstiga. Dessa så kallade "xenobots" är levande, biologiska automater som kanske bara signalerar framtiden för robotik som vi känner den.

"Dessa passar inte den klassiska definitionen av en organism eftersom de inte kan föröka sig - även om detta ur säkerhetssynpunkt [är] en egenskap och inte en defekt." Douglas Blackiston, en senior scientist i Allen Discovery Center vid Tufts University, berättade för Digital Trends. "De skulle kunna klassificeras som en "imperfekt organism." Jag tror dock att de kvalificerar sig som robotar. Även om de lever är de byggda från grunden för ett specifikt syfte. Dessa är inte något som någonsin har eller någonsin skulle kunna existera i naturen - det är en mänsklig konstruktion."

Svärmar av levande robotar

Låt oss backa upp. Förra året skapade forskare vid Tufts världens första små, levande, självdrivna robotar. Dessa xenobots har designats för att fungera i en svärm: gå, simma, skjuta pellets, bära nyttolaster och arbeta tillsammans för att "samla skräp utspridda längs ytan av deras fat i snygga högar." De kan överleva i veckor utan mat och läka sig själva efteråt skärsår. Åh, och de är gjorda av bitar av groda, omkonfigurerade av en A.I.

För att skapa xenobots tog Tufts-forskarna hudceller från färska grodembryon (grodaarten kallas en Xenopus laevis) och uppmuntrade dem att "starta om sin multicellularitet" i en ny miljö. Befriade från resten av embryot, bildade dessa hudceller vad Michael Levin, vetenskapsmannen som Levin Lab är uppkallad efter, kallar en "proto-varelse", komplett med sin egen unika struktur och beteende.

När Tufts-forskarna skapade de fysiska xenobot-organismerna arbetade forskare parallellt vid University of Vermont använde en superdator för att köra simuleringar för att försöka hitta sätt att montera dessa levande robotar för att kunna utföra användbara uppgifter.

"Vi använder A.I. att "utveckla" olika robotdesigner i en virtuell värld", sa Blackiston. "Datorn får en uppgift, som att "göra en robot som kan gå i en rak linje", och den sätter ihop miljontals olika kombinationer av virtuella celler tills det löser problemet... Datorn ger mig sedan en ritning, och jag börjar arbeta med att koppla ihop cellerna för att försörja mig version. Så på ett sätt tar jag beställningar från datorn."

En inledande papper om arbetet, ett principbevis på att levande robotar finns, och att A.I. kan designa dem för att göra enkla saker, publicerades förra året. En andra tidning, publicerades nyligen i Vetenskapsrobotik, visar att åtgärder har vidtagits för att göra dessa till användbara verktyg.

Den kompletterande frågan

Traditionell utvecklingsbiologi har fokuserat på standardmodellsystem, som fruktflugan, musen och grodan, och hur deras genom kodar hårdvara som skapar en viss typ av kropp. Xenobotarna Levin och hans forskarkollegor arbetar med vad han sa till Digital Trends är den "kompletterande frågan." Detta gäller "omprogrammerbarhet av livets mjukvara", och om genetiskt normala celler lockas att bygga något som är helt annorlunda än deras biologisk standard.

"Jag tror att detta är början på ett nytt tillvägagångssätt där en myriad av nya livsformer läggs till standardverktyget för biologer som gör det möjligt för dem att fråga var kroppsplaner kommer ifrån, hur samarbete mellan celler fungerar, hur cellulär kollektiv intelligens implementeras och hur vi kan stimulera cellgrupper att göra vad vi vill. sa Levin. "Detta belyser inte bara förhållandet mellan genom och anatomi - eftersom våra xenobots har en helt standard groda genomet — men det möjliggör också användbara syntetiska levande maskiner och ger oss en ny sandlåda där vi kan förstå reglerna för morfogenes.”

Idén med biologiska robotar är inte ny. I själva verket går det utan tvekan före den moderna uppfattningen om robotar som till stor del robusta, metalliska enheter. Robotarna som föreställdes av den tjeckiske dramatikern Karel Čapek, som myntade termen "robot" i sin science-fiction-pjäs från 1920 Rossums Universal Robots är biologiska till sin natur. De är skapade i en fabrik med syntetiskt organiskt material, vilket gör dem mer lika den moderna idén om androider än maskiner.

Andra verkliga forskare har också försökt kombinera natur- och maskinvärlden på intressanta sätt. EU-finansierad Flora Robotica-programmet syftar till att "utveckla och undersöka nära kopplade symbiotiska relationer mellan robotar och naturliga växter och att utforska potentialen hos en växt-robot samhälle som kan producera arkitektoniska artefakter och livsrum.” Ett projekt finansierat av Office of Naval Research fokuserar under tiden på konstruktionen av en insektsarmé av ryggsäcksbärande cyborggräshoppor för att utföra uppgifter som bombdetektering. Vid Zhejiang University i Kina har forskare skapat en uppställning som gör det möjligt för människor sinneskontrollera råttors rörelser med hjälp av en teknik som kallas hjärn-hjärna-gränssnitt. Förra året bäddade forskare vid Stanford University in lågeffektmikroelektronik i levande maneter med målet att förbättra deras naturliga framdrivning. Och så vidare.

En ny biologisk organism

Skillnaden mellan dessa projekt och xenobots är att de senare inte bara använder tekniska komponenter för att förstärka förmågan hos en biologisk organism; det skapar en helt ny biologisk organism som kan – eller åtminstone kommer – kontrolleras som en helt konstgjord robot.

"A.I.-designade xenobots exploderar definitionerna av både robot och organism eftersom de förkroppsligar egenskaper hos båda," Josh Bongard, en professor vid University of Vermonts avdelning för datavetenskap, berättade för Digital Trends. "De är som robotar eftersom de är designade för att utföra någon användbar funktion för människor autonomt. Men de är också organismer i den meningen att de är genetiskt omodifierade grodor, bara knuffade in i väldigt olika former och funktioner."

Xenobots, deras skapare lovar, kommer sannolikt att ha ett antal olika applikationer, både på lång och kort sikt. Levin föreslog att möjligheter på kort sikt kan inkludera miljösanering och avkänning, eftersom användningen av amfibieceller används att leva i utomhustemperaturvatten, som är biologiskt nedbrytbart på ungefär en vecka, skulle kunna göra dem perfekt lämpade för dessa scenarier. Botarna kan metabolisera farliga kemikalier och känna av små mängder föroreningar. De har till och med grundläggande, för närvarande primitiva, sätt att registrera miljöupplevelser - genom att lysa rött och ändra form när de utsätts för vissa förhållanden.

"På miljösidan kan dessa användas för biodetektering och biosanering," sa Blackiston. "Vi skulle kunna programmera de levande robotarna att känna av föroreningar och förhoppningsvis leta upp dem och förstöra dem. När de väl är klara med sitt jobb [kan de då] bryta ner ofarligt i miljön, [utan att lämna något konstgjort avfall efter sig."

Den långsiktiga visionen är fokuserad på regenerativ medicin. "Nästan alla problem inom biomedicin - traumatiska skador, åldrande, cancer, fosterskador - kan vara besegrade om vi visste hur vi skulle motivera cellkollektiv att bygga vilka komplexa organ vi vill ha”, sa Levin.

Forskarna spekulerar i att det kommer att vara möjligt att bygga bots av olika celltyper för olika användningsfall. "Du kan tänka dig att använda ett liknande system för att leverera läkemedel till en mänsklig patient, eller hjälpa till med reparationsprocessen efter en skada," sa Blackiston. "Om det görs från en patients egna stamceller, skulle det tillåta oss att göra biokompatibla robotar som rensas från patienten naturligt efter att de avslutat sitt jobb."

Att lösa utmaningarna

Det återstår mycket att göra innan det här stadiet är nått. En utmaning handlar om hur man bäst kontrollerar botarna. "[Detta problem] förblir, för närvarande, ett fullständigt mysterium," sa Bongard. "Vi jobbar på det här och vi hoppas få nya överraskningar att rapportera om inom en inte alltför avlägsen framtid."

Blackiston sa att ett koncept involverar programmering av bots med medfödda biologiska beteenden, som potentiellt kan utvecklas när de åldras. Med andra ord kan xenobotarna "födas" med ett syfte och sedan byta till ett annat när de blir äldre.

Ett annat hinder är att påskynda produktionen av botarna. För närvarande måste xenobots byggas för hand, en process som, noterade Blackiston, "kräver mycket tid under mikroskopet och en hel del finmotorisk kontroll." Forskarna tittar på sätt att anpassa 3D-bioskrivare för att automatisera hela processen, vilket resulterar i en sorts produktionslinje för löpande band för levande robotar.

En sak som är säker: Vi kommer sannolikt att höra mycket mer om xenobots med tiden. "Xenon" i deras namn kanske stannar kvar, men dessa kommer sannolikt att bli mycket mer bekanta för världen under de kommande åren.

Redaktörens rekommendationer

• Möt den spelföränderliga pitching-roboten som perfekt kan efterlikna alla mänskliga kast
• Möt Digit: Strutsbensroboten som kanske en dag levererar paket till dig
• Möt Ghost Robotics, stridsrobotarnas Boston Dynamics
• Hacka fotosyntes: Kan konstgjorda löv bränsle till framtiden?
• Möt roboten som hjälper läkare att behandla patienter med coronavirus