Geçen yıl, Tufts Üniversitesi ve Vermont Üniversitesi’nden (UVM) biyologlar ve bilgisayar bilimcilerinden oluşan bir ekip, “Xenobots” adlı kurbağa hücrelerinden hareket edebilen, bir yükü itebilen ve hatta toplu halde sergileyebilen yeni, kendi kendini iyileştiren biyolojik makineler yarattı. diğer Xenobot sürüsünün varlığında davranış.
Xenobots 2.0 için hazır olun.
Aynı ekip, tek hücrelerden bir vücudu kendi kendine toplayan, kas hücrelerinin hareket etmesini gerektirmeyen ve hatta kaydedilebilir hafıza yeteneğini gösteren yaşam formları yarattı. Yeni nesil Xenobot’lar aynı zamanda daha hızlı hareket ediyor, farklı ortamlarda geziniyor ve ilk baskıdan daha uzun ömre sahip ve yine de gruplar halinde birlikte çalışma ve hasar gördüklerinde kendilerini iyileştirme yeteneğine sahipler. Yeni araştırmanın sonuçları bugün Science Robotics’te yayınlandı .
Milimetre boyutundaki otomatların, dokunun manuel olarak yerleştirilmesi ve kurbağa derisinin ve kalp hücrelerinin hareket üretmek için cerrahi olarak şekillendirilmesiyle “yukarıdan aşağıya” bir yaklaşımla inşa edildiği Xenobots 1.0 ile karşılaştırıldığında, Xenobots’un bir sonraki sürümü “aşağıdan yukarıya” alır yaklaşmak. Tufts’taki biyologlar, Afrika kurbağası Xenopus laevis’in (dolayısıyla “Xenobots” adıdır) embriyolarından kök hücreler aldılar ve kendi kendilerine toplanmalarına ve birkaç gün sonra bazı hücrelerin kirpikler üretmek üzere farklılaştığı sferoidler halinde büyümelerine izin verdi – ileri geri hareket eden veya belirli bir şekilde dönen küçük tüy benzeri çıkıntılar. Doğal ritmik kasılmaları orijinal Xenobotların etrafta dolanmasına izin veren elle şekillendirilmiş kalp hücrelerini kullanmak yerine, kirpikler yeni sferoidal botlara onları bir yüzeyde hızla hareket ettirmek için “bacaklar” veriyor. Bir kurbağada veya bu konuda insanda, kirpikler normalde akciğerlerde olduğu gibi mukoza yüzeylerinde patojenleri ve diğer yabancı maddeleri dışarı atmaya yardımcı olmak için bulunur. Xenobot’larda, hızlı hareket sağlamak için yeniden tasarlandılar.
Seçkin Profesör Michael Levin, “Hücresel kolektiflerin, tamamen normal bir genoma sahip olmalarına rağmen, varsayılanlarından oldukça farklı bir ilkel yeni ‘vücut’ – bu durumda bir kurbağa – inşa eden olağanüstü esnekliğine tanık oluyoruz” dedi. Biyoloji Bölümü ve Tufts Üniversitesi Allen Keşif Merkezi direktörü ve çalışmanın ilgili yazarı. “Bir kurbağa embriyosunda, hücreler bir kurbağa yavrusu oluşturmak için işbirliği yaparlar. Burada, bu bağlamdan çıkarıldığında, hücrelerin, hareket gibi yeni işlevler için silya gibi genetik olarak kodlanmış donanımlarını yeniden amaçlayabildiğini görüyoruz. Hücrelerin kendiliğinden yapabilmesi şaşırtıcı. yeni roller üstlenin ve bu özellikler için uzun evrimsel seçim dönemleri olmaksızın yeni vücut planları ve davranışlar yaratın. “
“Bir bakıma, Xenobot’lar geleneksel bir robota çok benziyor. Şekli oluşturmak ve öngörülebilir davranışlar yaratmak için yapay bileşenler yerine yalnızca hücreleri ve dokuları kullanıyoruz.” Araştırmayı ilk kez araştırma teknisyeni Emma Lederer ile birlikte yazan kıdemli bilim adamı Doug Blackiston, dedi. “Biyoloji açısından bu yaklaşım, hücrelerin gelişim sırasında birbirleriyle etkileşime girdiklerinde nasıl iletişim kurduklarını ve bu etkileşimleri nasıl daha iyi kontrol edebileceğimizi anlamamıza yardımcı oluyor.”
Tufts bilim adamları fiziksel organizmaları yaratırken, UVM’deki bilim adamları, hem bireysel hem de gruplar halinde farklı davranışlar sergileyip sergilemeyeceklerini görmek için Xenobot’ların farklı şekillerini modelleyen bilgisayar simülasyonları yürütmekle meşguldü. Bilgisayar bilimcileri ve robotik uzmanları Josh Bongard liderliğindeki ekip, UVM’nin Vermont Advanced Computing Core’daki Deep Green süper bilgisayar kümesini kullanarak ve evrimsel bir algoritma kullanarak yüzbinlerce rastgele çevresel koşul altında. Bu simülasyonlar, bir partikül alanında büyük enkaz yığınları toplamak için sürülerde birlikte en çok çalışabilen Xenobot’ları tanımlamak için kullanıldı.
“Görevi biliyoruz, ancak insanlar için başarılı bir tasarımın nasıl görünmesi gerektiği hiç de açık değil. İşte burada süper bilgisayar devreye giriyor ve işi yapan sürüyü bulmak için olası tüm Xenobot sürülerinin alanını araştırıyor en iyisi, “diyor Bongard. “Xenobot’ların yararlı işler yapmasını istiyoruz. Şu anda onlara basit görevler veriyoruz, ancak nihayetinde, örneğin okyanustaki mikroplastikleri veya topraktaki kirleticileri temizleyebilecek yeni bir tür yaşam aracı hedefliyoruz.”
Görünüşe göre, yeni Xenobot’lar çöp toplama gibi görevlerde geçen yılki modele göre çok daha hızlı ve daha iyi, bir petri kabını süpürmek ve daha büyük demir oksit parçacıkları yığınları toplamak için bir sürü halinde birlikte çalışıyorlar. Ayrıca geniş düz yüzeyleri kaplayabilirler veya dar kılcal damarlardan geçebilirler. Bu çalışmalar ayrıca, in silico simülasyonlarının gelecekte daha karmaşık davranışlar için biyolojik botların ek özelliklerini optimize edebileceğini göstermektedir. Xenobot yükseltmesine eklenen önemli bir özellik, bilgileri kaydetme yeteneğidir.
Şimdi hafıza ile
Robotik teknolojinin temel bir özelliği, belleği kaydetme ve bu bilgileri robotun eylemlerini ve davranışını değiştirmek için kullanma yeteneğidir. Bunu akılda tutarak, Tufts bilim adamları Xenobot’ları normalde yeşil parlayan EosFP adı verilen bir floresan raportör proteini kullanarak bir bitlik bilgiyi kaydetme / yazma yeteneği ile tasarladılar. Bununla birlikte, protein 390 nm dalga boyunda ışığa maruz kaldığında, bunun yerine kırmızı ışık yayar.
Kurbağa embriyolarının hücrelerine, Xenobot’ları oluşturmak için kök hücreler eksize edilmeden önce EosFP proteini için haberci RNA kodlaması enjekte edildi. Olgun Xenobot’lar artık 390 nm civarında mavi ışığa maruz kalmayı kaydedebilen yerleşik bir floresan anahtarına sahip.
Araştırmacılar, 10 Xenobot’un bir noktanın 390 nm ışık demeti ile aydınlatıldığı bir yüzey etrafında yüzmesine izin vererek hafıza işlevini test ettiler. İki saat sonra, üç botun kırmızı ışık yaydığını gördüler. Geri kalanı, botların “seyahat deneyimini” etkili bir şekilde kaydederek orijinal yeşil renklerinde kaldı.
Moleküler hafızanın bu ilkesinin kanıtı, gelecekte sadece ışığı değil, aynı zamanda radyoaktif kontaminasyon, kimyasal kirleticiler, ilaçlar veya bir hastalık durumunun varlığını da tespit etmek ve kaydetmek için genişletilebilir. Hafıza fonksiyonunun daha fazla mühendisliği, birden fazla uyarıcının (daha fazla bilgi biti) kaydedilmesini sağlayabilir veya botların bileşikleri serbest bırakmasına veya uyaranların duyulması üzerine davranışı değiştirmesine izin verebilir.
Bongard, “Botlara daha fazla yetenek getirdiğimizde, onları daha karmaşık davranışlarla ve daha ayrıntılı görevleri yerine getirme becerisiyle tasarlamak için bilgisayar simülasyonlarını kullanabiliriz” dedi. “Bunları potansiyel olarak yalnızca çevrelerindeki koşulları rapor etmek için değil, aynı zamanda ortamlarındaki koşulları değiştirmek ve onarmak için tasarlayabiliriz.”
Xenobot, kendini iyileştir
Levin, “Kullandığımız biyolojik materyaller bir gün botlarda uygulamak istediğimiz birçok özelliğe sahip – hücreler sensörler, hareket için motorlar, iletişim ve hesaplama ağları gibi hareket edebilir ve bilgiyi depolamak için kayıt cihazları gibi davranabilir,” dedi Levin. “Xenobot’ların ve biyolojik robotların gelecekteki sürümlerinin yapabileceği bir şey, metal ve plastik muadillerinin yapmakta güçlük çektikleri bir şey, hücreler büyüdükçe ve olgunlaştıkça kendi vücut planlarını oluşturmak ve sonra hasar görürlerse kendilerini onarmak ve eski haline getirmek. Şifa doğaldır. canlı organizmaların özelliği ve Xenobot biyolojisinde korunmuştur. “
Yeni Xenobot’lar iyileşme konusunda oldukça ustaydı ve ciddi, tam uzunlukta bir yırtılmanın çoğunu, kalınlıklarının yarısını yaralanmadan sonraki 5 dakika içinde kapatacaklardı. Yaralanan tüm botlar, nihayetinde yarayı iyileştirebildi, şekillerini geri kazandılar ve eskisi gibi çalışmalarına devam ettiler.
Levin, biyolojik bir robotun bir başka avantajının da metabolizma olduğunu ekliyor. Metal ve plastik robotların aksine, biyolojik bir robottaki hücreler kimyasalları emip parçalayabilir ve kimyasalları ve proteinleri sentezleyen ve salgılayan küçük fabrikalar gibi çalışabilir. Yararlı moleküller üretmek için büyük ölçüde tek hücreli organizmaları yeniden programlamaya odaklanan tüm sentetik biyoloji alanı artık bu çok hücreli yaratıklarda kullanılabilir.
Orijinal Xenobot‘lar gibi, yükseltilmiş botlar da embriyonik enerji depolarında on güne kadar hayatta kalabilir ve ek enerji kaynakları olmadan görevlerini yerine getirebilirler, ancak bir besin “çorbasında” saklanırlarsa aylarca tam hızda devam edebilirler.
Bilim adamlarının gerçekte peşinde oldukları şey
Biyolojik botların ilgi çekici bir açıklaması ve onlardan öğrenebileceklerimiz, Michael Levin tarafından yapılan bir TED konuşmasında sunulmuştur.
Profesör Levin, TED Konuşmasında, yalnızca küçük biyolojik robotların çevrede veya potansiyel olarak terapötik uygulamalarda yararlı görevleri yerine getirme konusundaki dikkate değer potansiyelini açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda bu araştırmanın en değerli faydasının ne olabileceğine de dikkat çekiyor. botlar, doğada bir kurbağa veya insan yaratmak için yaptıkları gibi, tek tek hücrelerin nasıl bir araya geldiğini, iletişim kurduğunu ve daha büyük bir organizma oluşturmak için uzmanlaştığını anlamak için. Yenileyici tıp için bir temel oluşturabilecek yeni bir model sistemdir.
Xenobot’lar ve halefleri, çok hücreli organizmaların eski tek hücreli organizmalardan nasıl ortaya çıktığı ve biyolojik organizmalardaki bilgi işlemenin, karar vermenin ve bilişin kökenlerine dair fikir verebilir.
Bu teknolojinin muazzam geleceğini kabul eden Tufts Üniversitesi ve Vermont Üniversitesi, önümüzdeki aylarda resmen başlatılacak olan ve yaşam oluşturmak için her üniversiteden ve dış kaynaklardan gelen kaynakları bir araya getirecek olan Bilgisayar Tasarımlı Organizmalar Enstitüsü’nü (ICDO) kurdu. gittikçe karmaşıklaşan yeteneklere sahip robotlar.