Команда створює перших живих роботів UVM сьогодні Університет Вермонта
ксенобот-організм-пара-800x400.jpg
Книга зроблена з дерева. Але це не дерево. Мертві клітини були перероблені для задоволення іншої потреби.
Зараз група вчених переробила живі клітини - вишкреблені з жаб’ячих зародків - і об’єднала їх у цілком нові форми життя. Ці "ксеноботи" шириною в міліметр можуть рухатися до цілі, можливо, піднімати корисне навантаження (як ліки, які потрібно нести в певне місце всередині пацієнта) - і лікувати себе після порізу.
"Це нові живі машини", - говорить Джошуа Бонгард, комп'ютерний вчений та експерт з робототехніки з Університету Вермонта, який був співавтором нового дослідження. "Вони не є ні традиційним роботом, ні відомим видом тварин. Це новий клас артефактів: живий, програмований організм".
Нові істоти були розроблені на суперкомп'ютері в UVM, а потім зібрані та протестовані біологами з університету Тафтса. "Ми можемо уявити багато корисних застосувань цих живих роботів, яких не можуть робити інші машини", - каже спів-керівник Майкл Левін, який керує Центром регенеративної та біологічної розвитку "Тафтс", наприклад, пошук неприємних сполук або радіоактивне забруднення, збір мікропластика в океанах, подорожуючи по артеріях, щоб вискобити наліт ".
Результати нового дослідження були опубліковані 13 січня у Збірнику матеріалів Національної академії наук.
На замовлення живі системи
Люди маніпулюють організмами з користю для людини, принаймні, з самого початку землеробства, генетичне редагування стає широко розповсюдженим, і кілька штучних організмів були зібрані вручну за останні кілька років - копіюючи форми тіла відомих тварин.
Але це дослідження вперше "розробляє повністю біологічні машини з нуля", - пише команда у своєму новому дослідженні.
Протягом кількох місяців обробки суперкомп’ютерного кластера Deep Green у Вермонтському прогресивному обчислювальному ядрі UVM команда, у тому числі провідний автор і докторант Сем Кригман, використовувала еволюційний алгоритм, щоб створити тисячі дизайнів кандидатів для нових форм життя. Намагаючись досягти завдання, призначеного вченими - наприклад, переміщення в одному напрямку - комп'ютер знову і знову збирав кілька сотень змодельованих клітин у безліч форм і форм тіла. По мірі запуску програм, керованих основними правилами біофізики того, що можуть робити одинарна шкіра жаби та серцеві клітини, - успішніші змодельовані організми зберігалися та вдосконалювались, тоді як невдалі конструкції викидали. Після сотні незалежних запусків алгоритму для тестування було обрано найбільш перспективні конструкції.
Потім команда в "Тафтсі", очолювана Левіном та за ключовою роботою мікрохірурга Дугласа Блэкістона, перетворила конструкції з силікону в життя. Спочатку вони зібрали стовбурові клітини, зібрані з зародків африканських жаб, виду Xenopus laevis. (Звідси і назва "ксеноботи".) Їх розділили на окремі клітини і залишили інкубувати. Потім, за допомогою крихітних щипців і ще більш дрібного електрода, клітини вирізали і з’єднали під мікроскопом у близьке наближення конструкцій, визначених комп’ютером.
Зібрані у форми тіла, яких ніколи не бачили в природі, клітини почали працювати разом. Клітини шкіри сформували більш пасивну архітектуру, тоді як випадкові скорочення скорочень клітин серцевого м’яза працювали, створюючи впорядкований рух вперед, керуючись дизайном комп’ютера, та за допомогою спонтанних самоорганізуючих шаблонів - дозволяючи роботам рухатися власний.
Було показано, що ці реконфігуруються організми можуть рухатись узгоджено - і досліджувати своє водяне середовище протягом днів або тижнів, працюючи від запасів зародкової енергії. Перевернувшись, однак, вони зазнали невдачі, наче жуки перевернулися на спині.
Пізніші тести показали, що групи ксеноботів будуть рухатися по колу, виштовхуючи гранули в центральне місце - спонтанно та колективно. Інші були побудовані з отвором через центр для зменшення опору. У їх модельованих версіях вчені змогли перепрофілювати цю діру як мішечок для успішного перенесення предмета. "Це крок до використання комп'ютерних організмів для інтелектуальної доставки ліків", - говорить Бонгард, професор кафедри комп'ютерних наук та складних систем UVM.