Комп’ютерно спроектовані жаби створюють перших живих роботів - L Express
Фото Xenopus laevis (Xénope du Cap французькою мовою), стовбурові клітини якого дали змогу формувати "живі машини", що логічно називаються "Xenobot".
Змоделювавши ідеальний прототип на суперкомп’ютері, вчені ліпили жаб’ячі клітини, щоб перетворити їх на "живі машини".
Половина роботів, наполовину живих організмів. Вченим з університетів штату Вермонт (UMV) і Тафтса в США вдалося створити, поєднавши комп'ютерну програму та клітини жаби, "ксеноботів". Вимірюючи ширину в кілька міліметрів, ці живі програмовані організми на даний момент здатні виконувати лише основні дії, такі як рух, штовхання дрібних предметів та регенерація після поранення. Але вони могли одного разу служити медичними інструментами, виявляти радіоактивні забруднення або навіть. Очистіть океани, повідомляють дослідники у своєму дослідженні, опублікованому цього понеділка, 13 січня, у журналі PNAS.
"Це нові живі машини", - заявив у прес-релізі Джош Бонгард, експерт з інформатики з робототехніки в UVM і співавтор дослідження. "Це не традиційні роботи або види тварин. Відомо, але з нової категорії артефакту: живий і програмований організм ". Спочатку ці істоти були сконструйовані в суперкомп’ютері UVM, а потім зібрані біологами з Тафтса, які використовували стовбурові клітини жаб. "Ми можемо уявити багато додатків для цих живих роботів: виявлення небезпечних або радіоактивних матеріалів, відновлення мікропластиків, що є в океанах, або навіть подорож всередині людського тіла для очищення артерій", - пояснює Майкл Левін, директор Центру біології Тафтса, а також співавтор дослідження.
На замовлення жива істота
Отже, перша частина цього експерименту, кожен крок якої детально описаний на Youtube, розпочалась у суперкомп’ютері Deep Greende UVM. Комп'ютерні вчені використовували еволюційний алгоритм - який натхненний теорією еволюції - для моделювання тисяч моделей кандидатів на "нову форму життя", з обмеженням дотримання біофізичних правил клітинної жаби. Протягом кількох місяців ця програма збирала та повторно збирала сотні клітин жаб, щоб створити безліч тіл різної форми. Мета полягає в тому, щоб спроектувати організм, який буде найбільш ефективним у виконанні конкретних завдань, таких як переміщення, обведення цілі та її переміщення тощо. У міру проходження тестів менш компетентні макетні організми відкидали, а решту вдосконалювали. Після сотні випробувань найперспективніші моделі були відкладені.
Ця інформація була надіслана Тафтсу, де друга команда відповідала за реалізацію комп'ютерних моделей. Вчені вперше зібрали шкірні та м’язові стовбурові клітини, взяті з ембріонів африканських жаб виду Xenopus laevis, звідси і назва ксеноботи. Потім мікрохірург «ліпив» їх крихітним пінцетом та електродами у форму, яку суперкомп’ютер вважав найкращою.
"Оскільки ми не могли передбачити, як поводитимуться м'язові клітини, коли їх буде складено, ми змоделювали їх діяти хаотично", - розповідає Джош Бонгард, інтерв'ю L'Express. Іншими словами, ми попросили алгоритм встановити ці клітини разом у форму, яка гарантує нам, що ксеноботи завжди рухаються так, як ми хочемо, незалежно від того, як поводяться м’язові клітини в реальному житті ". "Алгоритм дозволив нам передбачити рухи, які істоти збираються виконувати, відповідно до форми, яку ми їм надамо", - резюмує Майкл Левін, також інтерв'юваний L'Express.
І справді, після виліплення маленькі клітини почали рухатися, як очікувалося. І реконфігуровані організми рухалися згуртовано, щоб досліджувати своє водне середовище днями, а то й тижнями, використовуючи свої запаси енергії зародка. Більш дивно, коли вони спостерігали, як їх ксеноботи оживають, дослідники помітили, що вони можуть працювати колективно, наприклад, рухаючись по колу, щоб проштовхувати гранули в область у центрі. "Це одне з найдивовижніших відкриттів, яке ми зробили: ми не завантажували наш алгоритм в клітини і не передавали ніякої інформації, клітини, які ми вирізали, вже мали свій" біологічний алгоритм ", який дозволяє їм співпрацювати", захоплюється Майкл Левін.
І в цьому вся суть їхнього дослідження. Поєднавши інформатику та біологію, дослідники довели, що форма ксеноботів, виявлених комп’ютером та скульптурних мікрохірургів, дозволила придушити будь-яку випадкову поведінку клітин. змусити їх рухатися лише так, як того хотіли вчені, але також і те, що останні зберігали певні первинні біологічні функції. Звичайно, маленькі істоти ще не здатні виконувати складні завдання. Але Джош Бонгард вважає, що, надавши більше можливостей для алгоритму, таких як можливість інтегрувати органи чуття або нервову тканину в цифрові симуляції, можна було б зробити "більш цікавих" ксеноботів.
З регенеративною здатністю та біологічно розкладається
Тим часом вчені тим не менш дослідили деякі перспективні шляхи. Зокрема, вони імітували нові форми клітин з кишенями. Атрибут, який може дозволити майбутнім ксеноботам транспортувати крихітні предмети. "Це крок до використання комп'ютерних організмів для інтелектуальної доставки ліків", - говорить Джош Бонгард. А ще краще, протестувавши їх стійкість, дослідники зрозуміли, що їх ксеноботи здатні регенерувати себе: навіть після того, як їх майже розрізали навпіл, вони "зварюються" і продовжують свою роботу. Здатність, якої бракує більшості класичних роботів.
Якщо в минулому вже були створені штучні організми, це перший раз, коли вчені спроектували повністю біологічні машини від А до Я. Інтерес, крім можливого використання, згаданого дослідниками? Ці ксеноботи повністю біологічно розкладаються, на відміну від металевих або пластикових роботів. "Коли вони закінчать роботу, через сім днів залишаються лише мертві клітини", - підкреслює Джош Бонгард.
Законні проблеми
Більше ніж технічна демонстрація, ця робота повинна революціонізувати наше розуміння як комп’ютерів, так і життя. На думку авторів, створення ксеноботів є важливим кроком у розшифровці того, що фахівці називають "морфогенетичним кодом", що дозволяє нам краще зрозуміти загальну організацію організмів та спосіб їх обчислення та зберігання інформації в них. Залежно від їх історії та навколишнє середовище. Прорив, який повинен стимулювати багато досліджень у цій галузі. "Подивіться на клітини, з яких ми побудували наших ксеноботів: їх ДНК - це 100% ДНК жаби. Але вони не жаби. Наступне питання: що ще вони можуть зробити?", - запитує Майкл Левін.
Ймовірно, це питання також ставить DARPA, агентство Міністерства оборони США, відповідальне за дослідження та розробку нових технологій, призначених для військового використання, яке фінансувало цю роботу. Усвідомлюючи, що дослідження складних біологічних маніпуляцій можуть налякати широку громадськість - особливо, коли вони фінансуються військовими, - тому пан Левін заспокоює. "Ці побоювання не є нерозумними: коли ми починаємо отримувати задоволення від складних систем, які ми не розуміємо, це може зазнати непередбачуваних наслідків", - підкреслює він. Але наша робота саме дозволяє нам підняти частину таємниці, яка так лякає ". Незважаючи на це, одне з питань, яке виникає у мене під час читання їх дослідження, - це як керувати колись створеними ксеноботами. Чи можуть їх зламати або вийти з-під контролю людини ?
Допитаний L'Express з цього приводу Майкл Левін розвиває свої аргументи. "Першим кроком було розуміння їх вроджених здібностей (.). Зараз ми будемо працювати над способом контролю над ними", - обіцяє він. Майбутньою метою двох команд буде розуміння "мови", яка дозволяє клітинам контролювати свою структуру та вивчати її. Біолог нагадує, що клітини спілкуються за допомогою електричних, хімічних та механічних сигналів. Визначивши цю мову - цей біологічний алгоритм - дослідники могли б тоді уявити хімічні механізми управління, світлові сигнали, що їх направляють, або навіть перепрограмувати клітини, щоб вони були більш чутливими до певних подразників.
Біологічна робототехніка
"Це саме те, що ми робимо сьогодні в робототехніці: ми складаємо деталі і змушуємо їх надсилати потрібні сигнали один одному, - продовжує він. - Різниця тут полягає в тому, що наші деталі - клітини - вже надзвичайно компетентні самі по собі, і як тільки ми зрозуміти, як контролювати їх взаємодію, ми також матимемо відповідь на багато біомедичних проблем ".
Прочитайте наш повний файл
Джош Бонгард, обережний, визнає, що крім прогнозування алгоритму, не зовсім впевнений, чи вдасться йому створити механізм управління після того, як він оживе їх. "Людині може бути важко розробити ксенобот, який є безпечним і корисним, але наш еволюційний алгоритм набагато" розумніший "за нас, і він цілком може на це спроможний", - запевняє він тим не менше. Будь-які "непередбачувані наслідки", будь-який новий ксенобот буде ретельно випробуваний у багатьох різних середовищах, як і у всіх нових технологіях ». Заспокоїли ?