Xenobots 2.0:科学家们创造了下一代生活机器人

Xenobot群活动

Xenobots展示了合作群活动,在这种情况下,共同收集成堆的微小颗粒。信誉:乌夫茨大学道格布莱斯顿

人造生物可以在群体和记录信息中移动材料。

去年,来自塔夫特大学的生物学家和计算机科学家团队和佛蒙特大学(UVM)创造了来自叫做“Xenobots”的青蛙细胞的新颖,微小的自我修复的生物机,可以四处走动,推动有效载荷,甚至展示集体行为存在一群其他Xenobots。

为Xenobots 2.0做好准备。

现在,同一团队现已创造了生命形式,即从单细胞中自组装的身体,不需要肌肉细胞移动,甚至证明了可记录记忆的能力。新一代Xenobots也移动得更快,导航不同的环境,并且比第一版更长的寿命,并且他们仍然有能力一起使用,如果损坏,则会在一起工作并治愈自己。新研究的结果出版了科学机器人

与Xenobots 1.0相比,其中毫米大小的自动化通过手动放置组织和手术塑造的“自上而下”的方法,以产生运动,下一个版本的Xenobots需要“自下而上”方法。Tufts的生物学家从非洲青蛙Xenopus Laevis的胚胎中服用了干细胞(因此名称“Xenobots”),并使它们允许自组装并生长到球状体中,其中一些细胞在几天后区分以产生纤毛 - 微小诸如以特定方式来回移动或旋转的毛发突起。而不是使用手动雕刻的心脏细胞,其自然节奏收缩允许原始的Xenobots才能崩溃,纤毛给出新的球体机器人“腿”将它们迅速穿过表面。在青蛙或人类的那种物质中,纤毛通常会在粘液表面上发现,如肺部,以帮助推出病原体和其他异物。在Xenobots上,他们是重新批准的,以提供快速的运动。

“We are witnessing the remarkable plasticity of cellular collectives, which build a rudimentary new ‘body’ that is quite distinct from their default – in this case, a frog – despite having a completely normal genome,” said Michael Levin, Distinguished Professor of Biology and director of the Allen Discovery Center at Tufts University, and corresponding author of the study. “In a frog embryo, cells cooperate to create a tadpole. Here, removed from that context, we see that cells can re-purpose their genetically encoded hardware, like cilia, for new functions such as locomotion. It is amazing that cells can spontaneously take on new roles and create new body plans and behaviors without long periods of evolutionary selection for those features.”

“在某种程度上,Xenobots建造了很像传统机器人。只有我们使用细胞和组织而不是人工组件来构建形状并产生可预测的行为。“Seire Scientics Doug Blackiston表示,他首先与研究技师Emma Lederer进行了研究。“在生物学结束时yabo124,这种方法正在帮助我们了解细胞在开发期间相互交互,以及我们如何更好地控制这些互动。”

虽然塔夫斯科学家创造了物理生物,但UVM的科学家正在繁忙的运行计算机模拟,这些计算机模拟模拟了Xenobots的不同形状,以查看它们是否可以在单独和组中表现出不同的行为。使用UVM佛蒙特州高级计算核心的深绿色超级计算机集群,团队,由计算机科学家和机器人专家Josh Bongard领导,使用进化算法数十万种随机环境条件。这些模拟用于识别最能够在群体中一起工作的Xenobots,以在粒子领域收集大堆碎片。

“我们知道这项任务,但它并不明显 - 对于人们来说 - 成功的设计应该是什么样的。这就是超级计算机进入并搜索所有可能的Xenobot群体的空间,以找到最好的工作,“Bongard说。“我们希望Xenobots做有用的工作。现在我们正在给予他们简单的任务,但最终我们的目标是一种新的生活工具,可以在例如土壤中的海洋或污染物中清理微型塑料。“

事实证明,新的Xenobots在垃圾收集之类的任务中比去年的模型更快,更好地更好,在一群群体中一起扫过培养皿并收集更大的含铁氧化铁颗粒。它们还可以覆盖大型平面,或穿过狭窄的毛细血管。这些研究还表明,在硅模拟中可以在未来优化生物机器人的额外特征,以获得更复杂的行为。Xenobot升级中添加的一个重要功能是能够记录信息。

现在有记忆

机器人的核心特征是能够记录内存并使用该信息来修改机器人的操作和行为。考虑到这一点,塔夫茨科学家用读/写能力设计了Xenobots以使用称为EOSFP的荧光报道蛋白来记录一点信息,这通常会发出绿色。然而,当暴露于390nm波长的光线时,蛋白质发射红光。

青蛙胚胎的细胞注射了信使RNA.切除干细胞前的EOSFP蛋白编码以产生XENOBOS。成熟的Xenobots现在有一个内置的荧光开关,可以在390nm左右记录暴露于蓝色光线。

研究人员通过允许10个Xenobots在一个斑点用390nm光束照射的表面周围游泳来测试记忆功能。两小时后,他们发现三个机器人发出红光。其余的仍然是原来的绿色,有效地记录了机器人的“旅行体验”。

这种原则的分子记忆原则证明可以在未来扩展,以检测和记录光线,也是放射性污染物,化学污染物,药物或疾病状况的存在。进一步的存储器功能的工程可以使得能够记录多种刺激(更多信息)或允许机器人在刺激感觉时释放化合物或改变行为。

“当我们为机器人带来更多能力时,我们可以使用计算机模拟来设计更复杂的行为和能够进行更详细的任务,”Bongard说。“我们可能无法设计它们,不仅可以在环境中报告条件,还可以在环境中修改和修复条件。”

Xenobot,治愈自己

“我们使用的生物材料有许多功能我们希望有一天在机器人中实现的功能 - 细胞可以像传感器一样,用于运动,通信和计算网络的电机,以及存储信息的记录设备,”莱文说。“Xenobots和未来版本的生物机器人的一件事可以这样做,他们的金属和塑料对应物难以在细胞生长和成熟时构建自己的身体计划,然后在损坏时修复和恢复自己。愈合是生物体的自然特征,它在Xenobot生物学中保留。“yabo124

新的Xenobots非常熟练地熟悉愈合,并且将在损伤的5分钟内关闭其厚度的大部分严重的全长损伤。所有受伤的机器人都能够最终愈合伤口,恢复它们的形状并继续以前继续工作。

生物机器人,Levin添加的另一个优点是代谢。与金属和塑料机器人不同,生物机器人中的细胞可以吸收和分解化学品,如微小的工厂合成和排泄化学品和蛋白质。整个合成生物学领域 - 主要集中在重编程的单细胞生物体上以yabo124产生有用的分子 - 现在可以在这些多细胞生物中被利用。

像原来的Xenobots一样,升级的机器人可以在胚胎能量店上生存到十天内,并在没有额外的能源的情况下运行他们的任务,但如果保存在营养素的“汤”中,它们也可以全速进行全速。

科学家真的是什么

介绍了生物机组的参与描述以及我们可以从中学到的东西迈克尔莱文谈谈

在他的TED谈话中,Levin教授不仅描述了微小的生物机器人的显着潜力,可以在环境中进行有用的任务或潜在的治疗应用,但他还指出了这项研究的最宝贵的利益 - 使用机器人要了解单个细胞如何聚集在一起,沟通,并专注于创造更大的生物,因为他们本质上创造青蛙或人类。这是一个新的模型系统,可以为再生医学提供基础。

Xenobots及其继承者还可以深入了解多细胞生物如何从古代纤细的生物体产生如何,以及生物生物中信息处理,决策和认知的起源。

认识到这项技术的巨大未来,塔夫茨大学和佛蒙特大学已经建立了计算机设计的生物研究所(ICDO),在未来几个月中正式推出,这将从每个大学和外部来源中拉持资源以创造生活具有越来越复杂的能力的机器人。

参考:“合成生活机器开发的蜂窝平台”由Douglas Blackiston,Emma Lederer,Sam Kriegman,Simon Garnier,Joshua Bongard和Michael Levin,3月31日,3月31日,科学机器人
DOI:10.1126 / scirobotics.abf1571

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