Ученые создают живых роботов нового поколения

В прошлом году команда биологов и компьютерных ученых из Университета Тафтса и Университета Вермонта (UVM) создала новые крошечные самовосстанавливающиеся биологические машины из клеток лягушки под названием «Ксеноботы», которые могут перемещаться, толкать полезную нагрузку и даже демонстрировать коллективную работу. в присутствии роя других ксеноботов.


Будьте готовы к Xenobots 2.0.

Эта же команда создала формы жизни, которые самостоятельно собирают тело из отдельных клеток, не требуют движения мышечных клеток и даже демонстрируют возможность записываемой памяти. Ксеноботы нового поколения также перемещаются быстрее, перемещаются по разным средам и имеют более продолжительный срок службы, чем первое издание, и у них по-прежнему есть возможность работать вместе в группах и лечить себя в случае повреждения. Результаты нового исследования были опубликованы сегодня в Наука .

По сравнению с Xenobots 1.0, в котором автоматы миллиметрового размера были сконструированы по принципу «сверху вниз» путем ручного размещения ткани и хирургической обработки кожи лягушки и сердечных клеток для создания движения, следующая версия Xenobots использует подход «снизу вверх». подход. Биологи из Тафтса взяли стволовые клетки из эмбрионов африканской лягушки Xenopus laevis (отсюда и название «ксеноботы») и позволили им собраться и вырасти в сфероиды, где некоторые клетки через несколько дней дифференцировались с образованием ресничек — крошечные волоскоподобные выступы, которые движутся вперед и назад или вращаются определенным образом. Вместо использования вручную созданных сердечных клеток, естественные ритмические сокращения которых позволяли оригинальным ксеноботам суетиться, реснички дают новым сфероидальным роботам «ноги», чтобы быстро перемещать их по поверхности. У лягушки или человека реснички обычно обнаруживаются на слизистых поверхностях, например в легких, чтобы помочь вытеснить патогены и другие инородные материалы. На Xenobots они перепрофилированы для обеспечения быстрого передвижения.

«Мы являемся свидетелями удивительной пластичности клеточных коллективов, которые строят рудиментарное новое« тело », совершенно отличное от их стандартного — в данном случае лягушки — несмотря на полностью нормальный геном», — сказал Майкл Левин, заслуженный профессор. доктор биологии, директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и автор-корреспондент исследования. «В эмбрионе лягушки клетки взаимодействуют, чтобы создать головастика. Здесь, вне этого контекста, мы видим, что клетки могут перенацеливать свое генетически закодированное оборудование, такое как реснички, для новых функций, таких как перемещение. Удивительно, что клетки могут спонтанно брать на себя новые роли и создавать новые планы тела и модели поведения без длительных периодов эволюционного отбора этих функций «.

«В каком-то смысле Xenobots сконструированы так же, как традиционные роботы. Только мы используем клетки и ткани, а не искусственные компоненты для создания формы и создания предсказуемого поведения». сказал старший научный сотрудник Дуг Блэкистон, который стал соавтором исследования вместе с техником-исследователем Эммой Ледерер. «С точки зрения биологии, этот подход помогает нам понять, как клетки взаимодействуют друг с другом во время развития, и как мы можем лучше контролировать эти взаимодействия».

Пока ученые Тафтса создавали физические организмы, ученые из UVM были заняты компьютерным моделированием, моделировавшим различные формы ксеноботов, чтобы увидеть, могут ли они проявлять разное поведение как индивидуально, так и в группах. Команда под руководством компьютерных ученых и экспертов по робототехнике Джоша Бонгарда использовала кластер суперкомпьютеров Deep Green на базе Advanced Computing Core UVM в Вермонте в сотнях тысяч случайных условий окружающей среды с использованием эволюционного алгоритма. Эти симуляции использовались для определения ксеноботов, наиболее способных работать вместе в роях, чтобы собрать большие кучи обломков в поле частиц.

«Мы знаем задачу, но для людей это совсем не очевидно, как должен выглядеть успешный дизайн. Вот тут-то и появляется суперкомпьютер, который ищет в пространстве всех возможных роев ксеноботов, чтобы найти рой, который выполняет эту работу. лучший «, — говорит Бонгард. «Мы хотим, чтобы ксеноботы выполняли полезную работу. Сейчас мы даем им простые задачи, но в конечном итоге мы стремимся создать живого инструмента, который мог бы, например, очищать в океане или загрязняющие вещества в почве».

Оказывается, новые ксеноботы намного быстрее и лучше справляются с такими задачами, как сбор мусора, чем прошлогодняя модель, работая вместе в рое, чтобы прочесать чашку Петри и собрать большие кучи частиц оксида железа. Они также могут покрывать большие плоские поверхности или проходить через узкие капилляры. Эти исследования также предполагают, что симуляции in silico могут в будущем оптимизировать дополнительные функции биологических ботов для более сложного поведения. Одна важная функция, добавленная в обновлении Xenobot, — это возможность записи информации.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments