ИИ создал роботов из живых тканей и научили их размножаться
Познакомьтесь с ксеноботами
Ученые используют живые материалы для создания машин, которые некоторые считают живыми … и теперь они начали воспроизводиться
Когда мы думаем о роботе, на ум обычно приходит какой–то синтетический слуга — одетая в металл машина, управляемая электроникой. Хотя он может выполнять за нас работу по дому и, возможно, даже разговаривать с нами способами, которые кажутся разумными, мы не будем считать его живым.
Но что, если вместо того, чтобы строить роботов из твердых, безжизненных материалов, мы построили их из мягких материалов, на которые полагается природа? Что, если мы построим их из клеток?
Именно такого подхода придерживаются исследователи из лаборатории профессора Джоша Бонгарда в Университете Вермонта в США.
Последние четыре года они проектировали и создавали ‘ксеноботов’: миниатюрные машины, сделанные из живых клеток лягушки.
Бонгард объясняет подход команды: “[Если вы] сделаете робота из металла и пластика … сами части не обладают интеллектом.
«Мы подходим к робототехнике совершенно по-другому. Мы создаем из компонентов, которые сами по себе являются фантастически интеллектуальными машинами ”.
Природа вдохновляла робототехнику на протяжении десятилетий. Это привело к появлению приводов, основанных на реальных мышцах, которые позволяют роботам легче двигаться. В другом месте подушечки, имитирующие ноги гекконов, позволяют роботам взбираться по вертикальному стеклу. Ксеноботы, напротив, сделаны из собственных строительных блоков природы.
По словам доктора Виктории Вебстер-Вуд, эксперта по биологически вдохновленным роботам из Университета Карнеги-Меллон, такой подход “позволяет нам напрямую использовать естественную адаптивность живых материалов”.
Что интересно в ксеноботах Бонгарда, так это то, что они могут быть сделаны из нормальных клеток, взятых из эмбрионов лягушек – никаких генетических изменений не требуется.
Хотя ученые уже знали, что эти клетки могут двигаться самостоятельно, в данном случае они используются в качестве материалов для создания предсказуемого, роботоподобного поведения, такого как скопление частиц вокруг чашки Петри, сотрудничество, как у овчарок, и даже рождение шариков из других клеток, которые можно рассматривать как детенышей ксеноботов.
Искусственный отбор
Хотя неясно, что именно во внутренней работе ксеноботов, или, скорее, клеток лягушки, заставляет их вести себя таким образом, их возможности делают их потенциально полезными для выполнения всевозможных задач.
Например, для очистки микропластика или, как изложили исследователи в своей первой статье о ксеноботах, опубликованной в 2020 году, ползать к месту поражения тканей у людей, чтобы помочь восстановить их здоровье.
Итак, если вы собираетесь создать ксенобота, с чего вы начнете? Итак, команда из Вермонта начинает работу в виртуальной чашке Петри, на компьютере, где программа с искусственным интеллектом (ИИ) ‘развивает’ пучки клеток лягушки, основываясь на их форме, для выполнения любой задачи, в которой заинтересованы ученые.
Группа ксеноботов ‘наводит порядок’ в чашке Петри, передвигая мусор и собирая его в кучу © Сэм Кригман
“Он создает популяцию виртуальных ксеноботов, удаляет тех, которые плохо справляются с работой, и создает случайно модифицированные копии выживших”, — объясняет Бонгард.
Ученые сообщают ИИ, сколько раундов этого процесса искусственного отбора необходимо завершить, и всего за несколько секунд у них есть свой дизайн.
В качестве примера, такой конструкцией может быть шар из клеток с отверстием посередине, похожий на мешочек, который хорошо подходит для транспортировки предметов.
По словам доктора Фалька Таубера, эксперта по биоинформационным технологиям из Университета Фрейберга в Германии, процесс проектирования на основе искусственного интеллекта является “настоящим шедевром” подхода команды.
Без виртуальной чашки Петри, отмечает он, тестирование сотен различных конфигураций клеток может занять недели или даже месяцы с использованием реальных клеток.
“Это не только дает огромное преимущество во времени, но и дает возможность реализовать только самые многообещающие подходы, которые оказались успешными в [компьютере]”, — говорит он.
Он предполагает, что подход ИИ может быть полезен и в других сценариях – например, при быстром проектировании персонализированных трансплантатов органов, которые точно соответствуют анатомии пациента.
Затем наступает время, когда виртуальные конструкции должны быть перенесены в реальные клетки. На этот процесс у единственного в команде скульптора ксеноботов, биолога доктора Дуга Блэкистона из Университета Тафтса, Массачусетс, уходит несколько часов на создание каждого ксенобота миллиметрового размера.
Используя инструменты для микрохирургии, Блэкистон кропотливо вырезает форму, разработанную ИИ, в ткани, полученной из эмбрионов лягушек.
“Для меня это очень похоже на рисование или работу над искусством”, — говорит он, добавляя, что ему нравится видеть, как соединяются формы.
Однако он признает, что для того, чтобы ксеноботы нашли применение в реальном мире, им нужно ускорить процесс, чтобы создавать больше, чем нынешние 30-40 ксеноботов в неделю. Этот прогресс может быть достигнут благодаря 3D-печати, которая может использовать клетки и ткани в качестве печатных ‘чернил’.
Стремление к прогрессу
Затем ксеноботы проводят чуть больше недели, ползая или плавая вокруг тарелки, прежде чем распасться (поскольку они не едят, их продолжительность жизни ограничена).
В своих оригинальных экспериментах исследователи создали ‘ходячих’ ксеноботов из комбинаций клеток сердца и кожи; поршневидное действие клеток сердца переводится в движение.
Однако теперь они используют клетки кожи, используя преимущества структур, похожих на волосы, называемых ресничками, которые выступают с внешней поверхности шариков клеток, позволяя им ‘плавать’.
Первоначально увидев их движения, исследователи подумали, что ксеноботы могут быть способны передвигать предметы, хотя они задавались вопросом, будут ли ксеноботы достаточно сильными.
“Я начал с очень легких частиц красителя, разбросанных по дну чашки Петри, как тонкий слой пепла или снега”, — говорит Блэкистон. “Мне повезло с первой попытки, и это сработало”. Ксеноботы также могли перемещать крошечные стеклянные бусины.
После того, как исследователи продвинулись к созданию плавающих ксеноботов, они начали давать им более интересные предметы для передвижения, такие как клетки – те же клетки, из которых состоят сами миниатюрные роботы.
Именно тогда начало происходить нечто интригующее: рой начал собирать клетки в маленькие кучки. Клетки лягушки липкие, поэтому скопления, как правило, держатся вместе, а затем, через несколько дней, на их поверхности начали появляться волоски – реснички, совсем как на поверхности ксеноботов.
“И затем, — говорит Бонгард, — Дуг [Блэкистон] заметил, что пара из них начала двигаться”.
В этот момент стало ясно, что ксеноботы делают больше из самих себя. Это не было традиционным сценарием ‘займись сексом, заведи ребенка’, но это была форма репликации, которая никогда не встречалась в природе.
По словам Блэкистона, он знал, что эксперимент сработает, если он сможет создать правильные условия. Но это не сделало его менее захватывающим, когда он впервые показал Бонгарду и команде одного из ‘детей’, передвигающегося по вызову Zoom.
“На вызове было тихо – биологи, специалисты по информатике”, — вспоминает Бонгард. “Вы знаете, самовоспроизведение — это своего рода мечта и надежда [для] машин в целом и увидеть это… это полностью поразило меня ”.
Когда исследователи поняли, что их ксеноботы могут самовоспроизводиться, они сказали своему ИИ разработать версии, которые могли бы делать это лучше.
ИИ приступил к работе, создав форму, которая выглядела довольно знакомой: Pac-Man, или, как говорит Бонгард, “в основном лопата”, что имеет смысл, когда вы делаете своих детей, складывая их кусочки в кучи – вы можете увидеть изображение этого ниже.
© Сэм Кригман
Тот факт, что ксеноботы теперь способны к самовоспроизведению, открывает целый набор потенциальных применений, говорит Бонгард, благодаря тому, что он называет “экспоненциальной полезностью”.
Концепция применима к любой технологии, которая делает что-то полезное и становится более полезной, чем дальше она распространяется. Хорошим примером является очистка окружающей среды, а также вакцины или технологии, которые могут тушить лесные пожары. Однако эти технологии не распространяются сами по себе, поэтому они могли бы воспользоваться самовоспроизводящимся носителем, чтобы помочь им.
Хотя это всего лишь теория, исследователи с помощью компьютерного моделирования показали, что если они накормят ксеноботов достаточным количеством клеток, и они продолжат размножаться, то использование ксеноботов для более простого применения, такого как перемещение проводов по цепи, продолжит расти.
Если самовоспроизводящиеся ксеноботы звучат как сценарий научно-фантастического фильма, которого нам следует избегать, следует помнить, что родительские боты могут производить потомство только при определенных обстоятельствах, которые, как указывает Вебстер-Вуд, контролируют исследователи.
Без доступа к дополнительным свободно плавающим клеткам они вообще не могут размножаться. Кроме того, ксеноботы команды биоразлагаемы и ‘умирают’ в течение нескольких дней.
По словам Таубера, “Эти маленькие клеточные роботы надежно размещены в лабораториях команды Бонгарда и не могут ‘жить’ во внешнем мире”.
На самом деле, «живые» — это совсем не тот ярлык, который Таубер применил бы к ним, именно потому, что их выживание зависит от таких специфических условий.
Однако Бонгард считает, что наряду с другими технологиями, такими как биогибриды, сочетающие органические и технологические компоненты, ксеноботы начинают стирать грань между живым и неживым, разжигая споры о том, что такое жизнь.
Между тем, поведение ксеноботов вызвало другие вопросы. Например, исследователи не знают, действительно ли ксеноботы сотрудничают, когда они сталкивают клетки и другие объекты вместе.
Способны ли они чувствовать друг друга через миллионы различных рецепторов, которые существуют на поверхности живых клеток? Или они просто бездумно передвигаются, как заводные игрушки?
Другой интригующий вопрос, конечно, заключается в том, могут ли биологические роботы также быть сделаны из человеческих клеток – и планирует ли команда пойти по этому пути.
По словам Бонгарда, это определенно входит в список дел. “Вы знаете, клетки лягушки и человека не так давно разошлись, если подумать об общей эволюционной истории клеток”, — размышляет он, предполагая, что, в принципе, это должно сработать.
Ксеноботы из человеческих клеток были бы более совместимы с медицинскими приложениями, хотя для их одобрения потребуется долгий путь.
Тем временем исследователи хотят узнать больше о том, что лежит в основе биологии клеток лягушки, которая заставляет их вести себя так, как они делают.
Они надеются научиться лучше манипулировать живыми материалами для создания более совершенных машин. Это то, что их ИИ выясняет, но пока не может сообщить им. “Мы просим ИИ создавать машины, но в результате этого ИИ узнает все больше и больше о биологии”, — говорит Бонгард.
Ключевая часть работы, добавляет он, заключается в том, чтобы заставить ИИ объяснить, что он узнал о биологии, “нам, бедным людям”.
Источник: images.immediate.co.uk
