В прошлом году команда биологов и компьютерных ученых из Университета Тафтса и Университета Вермонта (UVM) создала крошечные самовосстанавливающиеся биологические машины из клеток лягушки под названием "Xenobots", которые могут перемещаться, двигать полезную нагрузку и даже взаимодействовать внутри роя других ксеноботов.
Эта же команда создала формы жизни, которые самостоятельно собирают тело из отдельных клеток, не требуют мышечных клеток для движения и даже демонстрируют наличие записываемой памяти. Ксеноботы нового поколения также перемещаются быстрее, существуют в разных средах и имеют более продолжительный срок службы, чем первые организмы. У них по-прежнему есть возможность работать вместе в группах и лечить себя в случае повреждения. Результаты нового исследования опубликованы в Science Robotics.
По сравнению с Xenobots 1.0, новая "версия" выделяется подходом к проектированию организма. Вместо простого наращивания слоев, биологи из университета Тафтса взяли стволовые клетки из эмбрионов африканской лягушки Xenopus laevis и позволили им собраться и превратиться в сфероиды. В ходе этого процесса некоторые клетки через несколько дней дифференцировались с образованием ресничек — крошечных волосковидных выступов.
Вместо использования вручную созданных сердечных клеток, естественные ритмические сокращения которых позволяли оригинальным ксеноботам суетиться, реснички дают новым сфероидальным роботам "ноги", за счет которых они быстро перемещаются по поверхности.
В некотором смысле Xenobots сконструированы так же, как и традиционные роботы. Только мы используем клетки и ткани, а не искусственные компоненты для создания формы и предсказуемого поведения.
Пока ученые Тафтса создавали физические организмы, ученые из UVM были заняты компьютерным моделированием, создавая 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 группах, чтобы собрать большие кучи обломков в поле частиц.
Оказывается, новые Xenobots 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.
Центральная особенность робототехники — это возможность записывать память и использовать эту информацию для изменения действий и поведения робота. Имея это в виду, ученые Тафтса разработали Xenobots с возможностью чтения/записи для записи одного бита информации, используя флуоресцентный репортерный белок под названием EosFP, который обычно светится зеленым. Однако при воздействии света с длиной волны 390 нм белок вместо этого излучает красный свет.
В клетки эмбрионов лягушки вводили информационную РНК, кодирующую белок EosFP, перед тем как стволовые клетки были вырезаны для создания ксеноботов. У зрелых ксеноботов теперь есть встроенный флуоресцентный переключатель, который может регистрировать воздействие синего света около 390 нм.
Исследователи проверили функцию памяти, позволив 10 ксеноботам плавать по поверхности, одно пятно которой освещено пучком света с длиной волны 390 нм. Через два часа они обнаружили, что три бота излучают красный свет. Остальные остались в своем первоначальном зеленом цвете, эффективно десонстрируя пути перемещений ботов.
Это доказательство принципа молекулярной памяти может быть расширено в будущем для обнаружения и регистрации не только света, но и наличия радиоактивного загрязнения, химических загрязнителей, лекарств или болезненных состояний. Дальнейшая разработка функции памяти может позволить записывать несколько стимулов (больше битов информации) или позволить ботам выделять соединения или изменять поведение при ощущении стимула.
Новые ксеноботы, так же, показали хорошие результаты в регенерации. Время восстановления после тяжелых рваных ран во всю длину и на половину толщины составило всего 5 минут. Все раненые боты смогли в конечном итоге залечить рану, восстановить свою форму и продолжить свою работу в прежнем режиме.
Еще одно преимущество биологического робота — это метаболизм. В отличие от металлических и пластиковых роботов, клетки биологического робота могут поглощать и расщеплять химические вещества и работать как крошечные фабрики, синтезирующие и выделяющие химические вещества и белки. Вся область синтетической биологии, которая в основном сосредоточена на перепрограммировании одноклеточных организмов для производства полезных молекул, теперь может быть использована в этих многоклеточных существах.
Как и оригинальные Xenobots, модернизированные боты могут прожить до десяти дней на своих эмбриональных запасах энергии и выполнять свои задачи без дополнительных источников энергии, но они также могут работать на полной скорости в течение многих месяцев, если их содержат в «супе» из питательных веществ.
Перспектива технологии очевидна — такие роботы могут использоваться при диагностике и лечении множества заболеваний, а так же вывести на новый уровень наше понимание механизмов зарождения жизни и эволюции видов.
