Shkencëtarët krijojnë robotë të gjallë të gjeneratës tjetër

Vitin e kaluar, një ekip biologësh dhe shkencëtarësh kompjuterik nga Universiteti Tufts dhe Universiteti i Vermont (UVM) krijuan makina biologjike të vogla, vetë-shëruese, nga qelizat e bretkosave, të quajtura “Xenobots” që mund të lëviznin, të shtynin një ngarkesë dhe madje të shfaqnin sjellje të ndryshme në prani të xenobotëve të tjerë.

Bëhuni gati për Xenobots 2.0.

I njëjti ekip tani ka krijuar forma të jetës që vetë-krijojnë një trup nga qeliza individuale, nuk kërkojnë qelizat e muskujve për të lëvizur, dhe madje demonstrojnë aftësinë e kujtesës së regjistruar. Gjenerata e re Xenobots gjithashtu lëviz më shpejt, lundron në ambiente të ndryshme dhe ka jetëgjatësi më të madhe se gjenerata e parë, dhe ata ende kanë aftësinë të punojnë së bashku në grupe dhe të shërohen vetë nëse dëmtohen. Rezultatet e hulumtimit të ri u botuan sot në Science Robotics.

Krahasuar me Xenobots 1.0, në të cilin automatet me madhësi milimetrike janë ndërtuar në një mënyrë “lart poshtë” me vendosjen manuale të indeve dhe formësimin kirurgjik të lëkurës së bretkosës dhe qelizave kardiake për të prodhuar lëvizje, versioni tjetër i Xenobots ka një qasje “poshtë lart”. Biologët në Tufts morën qelizat burimore nga embrionet e bretkosës afrikane Xenopus laevis (nga vjen dhe emri “Xenobots”) dhe i lejuan ata të mblidheshin vetë dhe të rriteshin në sferoide, ku disa prej qelizave pas disa ditësh u diferencuan për të prodhuar cilie: fije të vogla si flokët që lëvizin para-mbrapa dhe me radhë ose rrotullohen në një mënyrë specifike. Në vend që të përdoren qelizat kardiake të prodhuara manualisht, tkurrjet ritmike natyrore të të cilave lejuan që Xenobotët origjinal të lëvizin përreth, ciliet u japin botëve të rinj sferoidë “këmbë” për t’i lëvizur me shpejtësi nëpër një sipërfaqe. Në një bretkosë, ose njeri, ciliet zakonisht gjenden në sipërfaqe mukoze, si në mushkëri, për të ndihmuar në nxitjen e patogjenëve dhe materialit tjetër të huaj. Në Xenobots, ato janë rivendosur për të siguruar lëvizje të shpejtë.

“Ne jemi dëshmitarë të plasticitetit të jashtëzakonshëm të popullatave qelizore, të cilat ndërtojnë një ‘trup’ të ri rudimentar që është mjaft i dallueshëm nga trupi ku u bazuan; në këtë rast një bretkosë; pavarësisht se kanë një gjenom krejtësisht normal,”- tha Michael Levin, Profesor i Shquar i Biologjisë dhe drejtor i Allen Discovery Center në Universitetin Tufts, dhe autori përkatës i studimit. “Në një embrion bretkose, qelizat bashkëpunojnë për të krijuar një tadpole (bisht). Në rastin tonë, ne shohim që qelizat mund të ri-synojnë harduerin e tyre të koduar gjenetikisht, si ciliet, për funksione të reja të tilla si lëvizja. Është e mahnitshme si qelizat munden në mënyrë spontane të marrin role të reja dhe të krijojnë plane dhe sjellje të reja trupore pa periudha të gjata të evolucionit për t’i fituar ato veçori.”

“Në një farë mënyre, Xenobots janë ndërtuar ashtu si një robot tradicional, vetëm se ne përdorim qelizat dhe indet sesa përbërësit artificialë për të ndërtuar formën dhe për të krijuar një sjellje të parashikueshme,”- tha shkencëtari i vjetër Doug Blackiston, i cili ishte bashkëautor i studimit me tekniken e kërkimit Emma Lederer. “Në aspektin e biologjisë, kjo qasje po na ndihmon të kuptojmë se si qelizat komunikojnë ndërsa bashkëveprojnë me njëra-tjetrën gjatë zhvillimit dhe se si ne mund t’i kontrollojmë më mirë ato ndërveprime.”

Ndërsa shkencëtarët e Tufts krijuan organizmat fizikë, shkencëtarët në UVM ishin të zënë duke drejtuar simulime kompjuterike që modelonin forma të ndryshme të Xenobots për të parë nëse ato mund të shfaqnin sjellje të ndryshme, si individualisht ashtu edhe në grupe. Duke përdorur grupin e superkompjuterit Deep Green në UVM’s Vermont Advanced Computing Core, ekipi, i udhëhequr nga shkencëtarët e kompjuterave dhe ekspertët e robotikës Josh Bongard dhe nën qindra mijëra kushte mjedisore të rastit duke përdorur një algoritëm evolucionar. Këto simulime u përdorën për të identifikuar Xenobotët më të aftë për të punuar së bashku në grupe për të mbledhur grumbuj të mëdhenj mbeturinash në një fushë.

“Ne e dimë detyrën, por nuk është aspak e qartë për njerëzit se si duhet të duket një dizajn i suksesshëm. Këtu hyn në lojë superkompjuteri dhe kërkon hapësirën e të gjitha grupeve të mundshme Xenobot për të gjetur grupin që kryen punën më mirë,”- thotë Bongard. “Ne duam që Xenobots të bëjë një punë të dobishme. Tani për tani ne po u japim atyre detyra të thjeshta, por në fund të fundit po synojmë një lloj të ri të mjetit të gjallë që mund, për shembull, të pastrojë mikroplastikat në oqean ose ndotës në tokë.”

Rezulton se Xenobotët e rinj janë shumë më të shpejtë dhe më të mirë në detyra të tilla si mbledhja e mbeturinave sesa modeli i vitit të kaluar, duke punuar së bashku në një grup për të pastruar një pjatë petri dhe për të mbledhur grumbuj më të mëdhenj të grimcave të oksidit të hekurit. Ato gjithashtu mund të mbulojnë sipërfaqe të mëdha të sheshta, ose të udhëtojnë nëpër kapilarë të ngushtë. Këto studime sugjerojnë gjithashtu që simulimet në silikon mund të optimizojnë në të ardhmen tipare shtesë të bot-ve biologjikë për sjellje më komplekse. Një tipar i rëndësishëm i shtuar në azhurnimin e Xenobot është aftësia për të regjistruar informacion.

Xenobot me kujtesë

Një tipar kryesor i robotikës është aftësia për të regjistruar kujtesën dhe për të përdorur atë informacion për të modifikuar veprimet dhe sjelljen e robotit. Me këtë në mendje, shkencëtarët e Tufts krijuan Xenobots me një aftësi leximi/ shkrimi për të regjistruar një informacion të shkurtër, duke përdorur një proteinë raportuese fluoreshente të quajtur EosFP, e cila normalisht ndriçon në ngjyrë jeshile. Sidoqoftë, kur ekspozohet ndaj dritës në gjatësi vale 390nm, proteina lëshon dritë të kuqe.

Qelizat e embrioneve të bretkosës u injektuan me ARN mesazhere duke koduar për proteinën EosFP përpara se qelizat burimore të krijonin Xenobotët. Xenobotët e maturuar tani kanë një çelës fluoreshent të integruar i cili mund të regjistrojë ekspozimin ndaj dritës blu rreth 390nm.

Studiuesit testuan funksionin e kujtesës duke lejuar që 10 Xenobots të notojnë rreth një sipërfaqeje e cila ndriçohet me një rreze drite 390nm. Pas dy orësh, ata zbuluan se tre bots lëshuan dritë të kuqe. Pjesa tjetër mbeti jeshile e tyre origjinale, duke regjistruar në mënyrë efektive “përvojën e udhëtimit” të bot-ëve.

Kjo provë e parimit të kujtesës molekulare mund të zgjerohet në të ardhmen për të zbuluar dhe regjistruar jo vetëm dritën, por edhe praninë e ndotjes radioaktive, ndotësve kimikë, ilaçeve ose një gjendje sëmundjeje. Inxhinieria e mëtejshme e funksionit të kujtesës mund të mundësojë regjistrimin e stimujve të shumtë (sasi më të madhe informacioni) ose t’i lejojë bot-ët të lëshojnë përbërës ose të ndryshojnë sjelljen me ndjesinë e stimujve.

“Kur sjellim më shumë aftësi në bot, mund të përdorim simulimet kompjuterike për t’i dizajnuar ato me sjellje më komplekse dhe aftësinë për të kryer detyra më të hollësishme,”- tha Bongard. “Ne mund t’i krijojmë ata potencialisht jo vetëm për të raportuar kushtet në mjedisin e tyre por edhe për të modifikuar dhe riparuar kushtet në të.”

Xenobot shërojnë veten

“Materialet biologjike që po përdorim kanë shumë karakteristika që ne do të dëshironim t’i zbatonim një ditë në bot: qelizat mund të veprojnë si sensorë, motorë për lëvizje, komunikim dhe rrjetë llogaritëse dhe pajisje regjistruese për të ruajtur informacionin,”- tha Levin. “Një gjë që Xenobotët dhe versionet e ardhshme të bot-ëve biologjikë mund të bëjnë, që homologët e tyre metalikë dhe plastikë kanë vështirësi ta kryejnë, është të ndërtojnë planin e tyre të trupit ndërsa qelizat rriten dhe maturohen, dhe pastaj të riparojnë dhe rivendosin veten nëse dëmtohen. Shërimi është tipar i natyrshëm i organizmave të gjalla, dhe ruhet në biologjinë Xenobot.”

Një avantazh tjetër i një roboti biologjik, shton Levin, është metabolizmi. Ndryshe nga robotët metalikë dhe plastikë, qelizat në një robot biologjik mund të absorbojnë dhe shpërbëjnë kimikate si dhe të punojnë si fabrika të vogla që sintetizojnë dhe sekretojnë kimikate dhe proteina. E gjithë fusha e biologjisë sintetike, e cila kryesisht është përqendruar në riprogramimin e organizmave njëqelizore për të prodhuar molekula të dobishme, tani mund të shfrytëzohet në këto krijesa shumëqelizore.

Ashtu si Xenobotët origjinal, bot-ët e azhurnuar mund të mbijetojnë deri në dhjetë ditë në rezervat e tyre të energjisë embrionale dhe të kryejnë detyrat e tyre pa burime shtesë të energjisë, por ato gjithashtu mund të vazhdojnë me shpejtësi të plotë për shumë muaj nëse mbahen në një grup ushqyesish.

Duke njohur të ardhmen e jashtëzakonshme për këtë teknologji, Universiteti Tufts dhe Universiteti i Vermont kanë themeluar Institutin për Organizmat e Projektuar nga Kompjuterët (ICDO), që do të fillojë zyrtarisht në muajt e ardhshëm, i cili do të mbledhë burime nga secili universitet dhe burime të jashtme për të krijuar robotë të gjallë me aftësi gjithnjë e më të sofistikuara.