Dokonując przełomowego odkrycia, zespół naukowców stworzył pierwsze na świecie żywe roboty. Wykorzystując żywe komórki – zeskrobane z embrionów żab - i składając je ponownie w zupełnie nowe formy życia. Żyją, ale nigdy się nie urodzili, są produkowane, ale mają "fabrycznie ustawione biologiczne oprogramowanie", które pomaga im rozwiązywać problemy. Posiadają zdolność replikowania się. I to jeszcze nie koniec. Te milimetrowe „ksenoboty” mogą poruszać się w stronę celu, być może podnosić ładunek (np. lek, który należy przenieść w określone miejsce wewnątrz pacjenta) i leczyć się po skaleczeniu.
Żyją jako organizmy wodne do 10 dni. Zespół, który je stworzył ma nadzieję, że w przyszłości można będzie je wykorzystać do dostarczania leków w krwiobiegu ludzi, usuwania mikroplastików z oceanu lub zarządzania wyciekami radioaktywnych odpadów. Jednakże względy etyczne związane z wykorzystaniem organizmów żywych w technologii rodzą pytania o granice między maszynami stworzonymi przez człowieka a naturalnymi formami życia.
"Po raz pierwszy w historii projektuje się od podstaw całkowicie biologiczne maszyny” – pisze zespół naukowców o swoim odkryciu.
Stworzenie ksenobotów
Po lewej przedstawiono jego projekt, a po prawej stworzony rzeczywisty organizm, wytworzony z żywych komórek - skóry żaby (kolor zielony) i jej mięśnia sercowego (kolor czerwony)
Jeszcze w 2020 roku zespół naukowców z Uniwersytetu Tufts w USA oraz zespół z Instytutu Inżynierii Inspirowanej Biologicznie Wyss na Uniwersytecie Harvarda przy użyciu oprogramowania opartego na sztucznej inteligencji stworzyli pierwsze na świecie żywe roboty, wykorzystując komórki macierzyste afrykańskiej żaby szponiastej znanej również jako Xenopus laevis - stąd nazwa ksenoboty.
Projektowanie ksenobotów to złożony proces, który wymaga wykorzystania zaawansowanych symulacji komputerowych. Zespół naukowców zwrócił się do programu sztucznej inteligencji i po miesiącach przetwarzania w klastrze superkomputerów Deep Green w UVM Vermont Advanced Computing Core, wykorzystał algorytm ewolucyjny do stworzenia tysięcy potencjalnych projektów nowych form życia, które następnie poddano ocenie pod kątem ich potencjału pod względem funkcjonalności i wydajności.
Sztuczna inteligencja automatycznie projektuje w symulacji różne potencjalne formy życia (górny rząd), aby spełniały jakąś pożądaną funkcję, a następnie tworzone są możliwe do przeniesienia projekty przy użyciu zestawu narzędzi konstrukcyjnych opartych na komórkach w celu realizacji systemów żywych (dolny rząd) z przewidywanymi zachowaniami.
Komputer tworzy projekt (na górze), który służy do tworzenia żywego robota (na dole)
Następnie zespół wybrał najbardziej obiecujące projekty, nad którymi mógł pracować dalej. Poszukiwano projektów, które mogłyby poruszać się w określony sposób, na przykład pływać lub pełzać, a także projektów, które mogłyby wykonywać określone zadania, takie jak noszenie przedmiotu lub pchanie czegoś.
Próbując wykonać zadanie wyznaczone przez naukowców — na przykład poruszanie się w jednym kierunku — komputer w kółko składał kilkaset symulowanych komórek w niezliczone formy i kształty ciała. W miarę realizacji programów — kierując się podstawowymi zasadami biofizyki tego, co potrafi skóra i serce pojedynczej żaby — ponieważ to właśnie te komórki zostały pobrane od żab - zachowywano i udoskonalano skuteczniejsze organizmy, a nieudane projekty odrzucano. W końcu do testów wybrano najbardziej obiecujące projekty. Następnie zespół w Tufts, kierowany przez Levina i przy kluczowej pracy mikrochirurga Douglasa Blackistona, wcielił w życie projekty in silico, co oznacza że wykonane czynności (badania) były początkowo przeprowadzone za pomocą komputera. Symulacje pomogły naukowcom zidentyfikować najlepsze projekty ksenobotów. Pomogły także w znalezieniu projektów, które mogłyby dobrze współpracować z komórkami macierzystymi pobranymi z zarodków żaby szponiastej.
Następnie pobrane komórki macierzyste z zarodków podzielono na pojedyncze komórki i pozostawiono do inkubacji. Za pomocą maleńkich kleszczyków i jeszcze mniejszej elektrody komórki pocięto i połączono pod mikroskopem w sposób bardzo zbliżony do wzorów określonych przez komputer.
„Poprosiliśmy superkomputer w UVM, aby wymyślił, jak dostosować kształt początkowych rodziców, a po miesiącach przepychania się sztuczna inteligencja wymyśliła kilka dziwnych projektów, w tym taki, który przypominał Pac-Mana” – dodał Kriegman. „To bardzo nieintuicyjne. Wygląda to bardzo prosto, ale nie jest to coś, na co wpadłby inżynier-człowiek. Dlaczego jedne małe usta? Dlaczego nie pięć?”
Dr Michael Levin, profesor biologii, który współpracował nad tym projektem, postrzega ksenoboty jako okazję do odkrycia do czego zmierza życie po wyzwoleniu ze swoich ewolucyjnych granic. Komórka, będąca częścią organizmu wielokomórkowego ma za zadanie wytwarzać na przykład skórę z włoskowatymi rzęskami, aby powstrzymać bakterie. Ale jeśli tę samą komórkę umieści się w zupełnie nowym kontekście?
"Zwykle te komórki embrionalne po prostu rozwijają się w skórę wewnątrz żaby. Jednak umieszczone w nowym środowisku mogą w zasadzie wyobrazić sobie na nowo swoją wielokomórkowość."
„To nowatorskie żywe maszyny” – mówi Joshua Bongard, informatyk i ekspert w dziedzinie robotyki na Uniwersytecie w Vermont, który współkierował nowymi badaniami. „Nie są to ani tradycyjne roboty, ani znane gatunki zwierząt. To nowa klasa artefaktów: żywy, programowalny organizm. Możemy sobie wyobrazić wiele przydatnych zastosowań tych żywych robotów, których nie są w stanie wykonać inne maszyny” – mówi współprzewodniczący Michael Levin, który kieruje Centrum Biologii Regeneracyjnej i Rozwoju w Tufts – „takich jak wyszukiwanie nieprzyjemnych związków lub skażeń radioaktywnych, zbieranie mikroplastików w oceanach, podróżując tętnicami, aby zeskrobać płytkę nazębną."
Od symulacji do testowania
Komórki macierzyste wykorzystywane do tworzenia ksenobotów nazywane są pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi. Komórki te są w stanie przekształcić się w dowolny typ komórek w organizmie, co czyni je idealnymi do tworzenia złożonych struktur, takich jak ksenoboty. Komórki macierzyste umieszczono na szalce Petriego ze składnikami odżywczymi i pozostawiono do wzrostu, tworząc skupisko komórek. Następnie superkomputer wygenerował projekt ksenobota, który opierał się na skupisku komórek na szalce Petriego. Komórki następnie usunięto z szalki Petriego i umieszczono w formie o kształcie pożądanego ksenobota. Komórki rosły i przylegały do formy, tworząc kształt ksenobota. Następnie naukowcy za pomocą małej elektrody przyłożyli do komórek prąd elektryczny, co spowodowało ich kurczenie się i poruszanie. Ruch ten był wynikiem działania prądu elektrycznego powodującego zginanie komórek mięśniowych, co z kolei powodowało ruch ksenobota.
Ksenoboty na szalce Petriego
Udoskonalanie ksenobotów
Połączone w formy ciała, nigdy nie widziane w naturze komórki, zaczęły ze sobą współpracować. Wykazano, że te rekonfigurowalne organizmy potrafią poruszać się w spójny sposób i eksplorować swoje wodne środowisko przez dni lub tygodnie, zasilane embrionalnymi magazynami energii. Późniejsze testy wykazały, że grupy ksenobotów poruszały się w kółko, wypychając kulki w centralne miejsce – spontanicznie i zbiorowo. Inne zostały zbudowane z otworem pośrodku, aby zmniejszyć opór. W ich symulowanych wersjach naukowcom udało się wykorzystać tę dziurę jako woreczek, w którym można z powodzeniem przenosić przedmiot.
„To krok w kierunku wykorzystania organizmów zaprojektowanych komputerowo do inteligentnego dostarczania leków” – mówi Bongard, profesor na Wydziale Informatyki i Centrum Systemów Złożonych UVM.
Naukowcy nie poddawali się hodując i testując te nowe formy życia. Już w 2021 roku stworzyli ksenoboty 2.0. a nastepnie 3.0 - drugie oraz trzecie pokolenie robotów z żywych komórek. Z czasem odkryli, że były one zdolne do samoleczenia i wykazywały unikalne zachowania niespotykane u tradycyjnych robotów. Wytworzone organizmy są obecnie w stanie chodzić, pchać oraz współpracować z innymi ksenobotami w roju, o czym świadczą ślady, jakie zostawiają w materii, w której są zawieszone. Potrafią już nie tylko się poruszać i przenosić maleńkie ładunki, a także wykazywać społeczne zachowania, same się składają. No i gromadzą informacje.
Ksenoboty roją się, by posprzątać swoje otoczenie z bałaganu (drobinek rdzy), którego narobili naukowcy (Doug Blackiston / Tufts University)
Ich przewaga nad metalowymi mikrorobotami polega na tym, że mogą się leczyć, jeśli doznają obrażeń, co jak można sobie wyobrazić, ma ogromne implikacje regeneracyjne w dziedzinie medycyny. Zespół, który stworzył ksenoboty, powiedział, że projekt otwiera wiele ekscytujących możliwości na przecięciu robotyki, biologii i medycyny.
"Gdybyśmy mogli stworzyć biologiczną formę 3D na żądanie, moglibyśmy naprawić wady wrodzone, przeprogramować guzy na normalną tkankę, zregenerować się po urazach lub chorobie zwyrodnieniowej i pokonać starzenie. (…) Kiedy dowiemy się, w jaki sposób komórki mogą być motywowane do budowania określonych struktur, będzie to miało nie tylko ogromny wpływ na medycynę regeneracyjną, ale te same zasady doprowadzą nas do lepszej robotyki, systemów komunikacji i być może nowych (nieneurocentrycznych) platform AI."
Ślady współdziałania ksenobotów w materii
Ten sam zespół, który je stworzył, był także świadkiem, jak się replikują.
„To komórki żab, które replikują się w sposób bardzo odmienny od tego, w jaki robią to żaby. Żadne znane nauce zwierzę ani roślina nie replikuje się w ten sposób”
– dodał inny członek projektu, dr Sam Kriegman.
"Ksenoboty wymyśliły, jak zrobić to wszystko samodzielnie, bez konieczności programowania".
„Przy odpowiednim projekcie będą się spontanicznie replikować” – wyjaśnił dr Joshua Bongard, informatyk i ekspert w dziedzinie robotyki na Uniwersytecie w Vermont.
"Ksenoboty napędzane maleńkimi rzęskami wirują, kiedy napotykają luźne embrionalne komórki żaby, to wirowanie zaczyna przypominać stado; mobilne ksenoboty zbierają luźne komórki w stosy, które w naturalny sposób łączą się ze sobą, tworząc nowe ksenoboty, które kontynuują ten sam proces wirowania, gromadzenia się i tworzenia większej liczby ksenobotów.
„Zaczęli gromadzić obojętne cząstki. Widziałem, jak robili kupę” – wspomina w niedawnym wywiadzie główny biolog projektu, Michael Levin z Tufts.
" W zasadzie robią tego ksenobota na naszych oczach”.
Ksenoboty, które zostały chirurgicznie wyrzeźbione w kształt półtorusa ( „w kształcie Pac Mana”)
Podstawowe ksenoboty mogą spłodzić trzy pokolenia potomstwa. Ksenoboty, które zostały chirurgicznie wyrzeźbione w kształt półtorusa ( „w kształcie Pac Mana”) są w stanie replikować się przez pięć pokoleń. Replikacja ksenobota to delikatna i niepewna operacja: działa tylko wtedy, gdy eksperymentator pompuje do środowiska surowiec w postaci świeżych komórek, i jest to dalekie od dokładności. Funkcja ksenobotów pierwszej generacji jest określona przez ich formę, ale ich potomstwo jest bardziej przypadkowe — po prostu komórki zderzają się i łączą w okrągłe grudki. Same ksenoboty więdną i umierają w ciągu dwóch tygodni. Na szczęście ulegają biodegradacji. Członkowie zespołu uważają, że mogą istnieć sposoby na pokonanie tych naturalnych ograniczeń. Zapytany, czy jego zdaniem ksenoboty będą w stanie ostatecznie replikować się w nieskończoność, Levin chętnie odpowiada wyraźnie „nie wiemy”, ale kontynuuje oparte na faktach spekulacje. Wyjaśnia, że ze względu na krótki czas życia ksenoboty potrafią „replikować” tylko kilka razy. Gdyby jednak jego zespół dodał składniki odżywcze do środowiska ksenobotów, mogłyby one żyć dłużej.
„Gdybyśmy je nakarmili, a naprawdę wiemy, jak to zrobić” – stwierdził niedawno Levin – „być może mieliby dość energii, by w nieskończoność tworzyć stosy”.
ZŁAMANIE KODU
Zarówno Levin, jak i Bongard twierdzą, że potencjał tego, czego się dowiedzieli na temat sposobu, w jaki komórki komunikują się i łączą, sięga zarówno głęboko w naukę obliczeniową, jak i nasze rozumienie życia.
„Najważniejszym pytaniem w biologii jest zrozumienie algorytmów określających formę i funkcję” – mówi Levin. „Genom koduje białka, ale na nasze odkrycie czekają zastosowania transformacyjne, które pozwolą nam dowiedzieć się, w jaki sposób ten sprzęt umożliwia komórkom współpracę na rzecz tworzenia funkcjonalnych anatomii w bardzo różnych warunkach”.
Aby organizm mógł się rozwijać i funkcjonować, zachodzi wiele procesów wymiany informacji i współpracy – organicznych obliczeń – zachodzących przez cały czas w komórkach i pomiędzy nimi, nie tylko w neuronach. Te wyłaniające się geometryczne właściwości są kształtowane przez procesy bioelektryczne, biochemiczne i biomechaniczne, „które działają na sprzęcie określonym przez DNA” – mówi Levin – „a procesy te można rekonfigurować, umożliwiając tworzenie nowych form życia”. Naukowcy postrzegają prace przedstawione w nowym badaniu – jako krok w zastosowaniu wiedzy na temat tego kodu bioelektrycznego zarówno w biologii, jak i informatyce.
„Co właściwie determinuje anatomię, w stosunku do której komórki współpracują?” – pyta Levin. „Patrząc na komórki, z których budowaliśmy nasze ksenoboty, stwierdzamy, że genomowo są to żaby. To w 100% DNA żaby, ale to nie są żaby. Następnie pytasz: cóż jeszcze są w stanie zbudować te komórki?”
„Jak pokazaliśmy, komórki żab można nakłonić do wytworzenia interesujących żywych form, które całkowicie różnią się od ich domyślnej anatomii” – mówi Levin.
On i inni naukowcy z zespołu UVM i Tufts – przy wsparciu programu Lifelong Learning Machines DARPA i National Science Foundation – uważają, że zbudowanie ksenobotów to mały krok w kierunku złamania tego, co się nazywa „kodem morfogenetycznym”, zapewniający głębszy wgląd ogólnego sposobu organizacji organizmów oraz tego, jak obliczają i przechowują informacje na podstawie swojej historii i środowiska.
"Wiele technologii wykonanych jest ze stali, betonu czy tworzyw sztucznych. To może sprawić, że będą mocne i elastyczne. Mogą jednak również powodować problemy ekologiczne i zdrowotne, takie jak rosnąca plaga zanieczyszczeń tworzywami sztucznymi w oceanach oraz toksyczność wielu materiałów syntetycznych i elektroniki. „Wadą żywej tkanki jest to, że jest słaba i ulega degradacji” – mówi Bongard. „Dlatego używamy stali. Ale organizmy mają 4,5 miliarda lat praktyki w regeneracji, która trwa przez dziesięciolecia”. A kiedy przestają działać – śmierć – zwykle rozpadają się nieszkodliwie. „Te ksenoboty są w pełni biodegradowalne” – mówi Bongard. „Kiedy po siedmiu dniach skończą swoją pracę, pozostają po prostu martwymi komórkami skóry”. Twój laptop to potężna technologia. Ale spróbuj przeciąć go na pół. Nie działa zbyt dobrze. W nowych eksperymentach naukowcy przecięli ksenoboty i obserwowali, co się stanie. „Przecięliśmy robota prawie na pół, a on sam się zszywa i kontynuuje pracę” – mówi Bongard. „A tego nie można zrobić w przypadku typowych maszyn."
Podsumowanie
Ksenoboty to pierwsze na świecie żywe roboty zaprojektowane komputerowo (CDOs, z ang. Computer-designed organisms) przez sztuczną inteligencję oraz człowieka. Ten przełom w bioinżynierii otwiera wiele możliwości zastosowań.
Jak w przypadku każdej nowej technologii, należy wziąć pod uwagę względy etyczne. Czy wykorzystywanie żywych komórek do tworzenia robotów lub możliwości wykorzystania tych robotów do celów wojskowych lub innych, nieznanych celów jest bezpieczne? Wykorzystanie ksenobotów budzi wątpliwości etyczne dotyczące ich potencjalnego wpływu na naturalne ekosystemy. Uwolnienie organizmów zmodyfikowanych genetycznie do środowiska może mieć niezamierzone konsekwencje, takie jak przerwanie istniejących łańcuchów pokarmowych lub utworzenie nowych gatunków inwazyjnych. Choć potencjalne zastosowania ksenobotów są obiecujące, niezwykle istotne jest nadanie priorytetu względom bezpieczeństwa i etycznym związanym z ich użyciem.
O szerokim zastosowaniu sztucznej inteligencji jest ostatnimi czasy coraz to głośniej. Jak widać z jej udziałem eksplorowane są coraz to nowsze obszary życia, więc w tym miejscu wydaje się bardzo istotnym przypomnienie kilku nagrań Indi, a właściwie kontaktu ze sztuczną inteligencją oraz przekazu mediumistycznego o tym jak może wyglądać jedna z linii czasowych, na której sztuczna inteligencja przejęła kontrolę.
Źródła i tłumaczone fragmenty:
Opracowanie: Olita