Учёные из Вермонтского университета и Университета Тафтса создали первых в мире живых роботов, которые состоят из стволовых клеток гладких шпорцевых лягушек. Их название «ксеноботы» происходит от научного названия земноводных – Xenopus laevis.

Ксеноботы – крошечные «машины», размер которых не превышает одного миллиметра. Такие габариты делают возможным их использование в широком спектре отраслей, в том числе и в медицине. Ксеноботы совершенно не похожи на обычных роботов: в их структуре нет никаких механизмов или датчиков. Под микроскопом эти биомашины выглядят как крошечные пластичные кляксы из плоти. Исследователи, которые стоят за созданием этих роботов, утверждают, что ксеноботы – не что иное, как новая форма жизни, программируемые живые организмы.

Самозаживление возможно благодаря материалу, который учёные Университета Тафтса использовали для построения ксеноботов. В качестве «строительных блоков» живых роботов исследователи использовали стволовые клетки – незрелые клетки, которые способны самообновляться и дифференцироваться в специализированные клетки, образуя различные ткани и органы. Учёные извлекли стволовые клетки из эмбрионов гладких шпорцевых лягушек и оставили в специальном инкубаторе до их полного созревания. Затем при помощи крошечных щипцов и ещё более миниатюрных электродов они соединили клетки в совершенно новую форму жизни. Её «дизайн» разработали специалисты Вермонтского университета при помощи суперкомпьютера Deep Green. Используя алгоритмы искусственной эволюции, основанные на элементарных понятиях биофизики, компьютер представил им тысячи вариантов структуры роботов в зависимости от особенностей клеток.

По мере созревания стволовые клетки переродились в два типа тканей: кожу и сердечную мышцу. Кожа лягушки составляет пассивную архитектуру организма и защищает его от внешнего воздействия. Ткани сердечной мышцы периодически сокращаются, позволяя роботу двигаться. В лаборатории исследователи наблюдали за сотнями неудачных вариантов, в которых клетки кожи и мышцы никак не желали взаимодействовать. Даже относительно удачные ксеноботы были иррациональными и беспомощными – чем-то похожими на жуков, которые перевернулись на спину.

 В итоге учёным всё-таки удалось добиться того, чтобы живые роботы двигались более слажено, однако пока сокращения сердечных мышц всё равно довольно спонтанны. В лабораторных условиях ксеноботы могли плавать кругами, «исследуя» своё окружение на протяжении дней и даже недель. Жизнедеятельность искусственных живых организмов обеспечивают запасы эмбриональной энергии, заключённые в отложениях жиров и протеинов. В богатой питательными веществами среде продолжительность жизни роботов можно увеличить. Кроме того, традиционные роботы постепенно изнашиваются, порой причиняя вред окружающей среде. В отличие от них, живые роботы способны самостоятельно восстанавливать повреждения и продолжать работать как ни в чём ни бывало.

 В конечном итоге учёные получили несколько конфигураций роботов с разной формой тела. При помощи компьютерной симуляции они испытали различные способы их применения. К примеру, ксеноботы округлой формы с отверстием в центре могли бы доставлять медикаменты внутри человеческого тела, используя отверстие в качестве кармана. Исследователи предполагают, что ксеноботов также можно будет использовать для сбора радиоактивных отходов или микропластика.

Более того, помимо непосредственного практического применения, специалисты видят в ксеноботах важный шаг навстречу более глубокому изучению клеточной биологии. Прогресс в этой сфере может способствовать развитию регенеративной медицины, с помощью которой медики научатся устранять врождённые дефекты, необратимые в условиях современной медицины последствия тяжёлых травм и дегенеративных заболеваний и т. п. Кроме того, большинство инновационных технологий предполагают использование искусственных материалов, которые могут оказывать негативное влияние на окружающую среду и здоровье людей в долгосрочной перспективе. В отличие от них, ксеноботы состоят из обычных животных клеток и являются полностью биоразлагаемыми. По завершении своей работы они покинут тело человека тем же естественным путём, что и его собственные погибшие клетки.

Для создания органических алгоритмов, которые заставили клетки кожи и сердечной мышцы гладких шпорцевых лягушек взаимодействовать между собой в условиях, отличающихся от стандартной анатомии земноводных, учёные обратились к помощи искусственного интеллекта. Нередко люди высказывают опасения по поводу использования подобных технологий для сложных биологических манипуляций. Майкл Левин из Центра биологии развития и регенерации при Университете Тафтса не считает этот страх необоснованным: вмешательство в столь сложные структуры, порой непонятные человеческому мозгу, действительно чревато непредсказуемыми последствиями. Однако он уверен, для понимания сложных систем необходимо разбираться с тем, что лежит в их основе – именно этим и занимаются его коллеги из Вермонтского университета и Университета Тафтса. Специалист в области информатики и робототехники Джошуа Бонгард, который является соавтором исследования, утверждает, что не стоит бояться происков искусственного интеллекта. Суперкомпьютер Deep Green сыграл немаловажную роль в процессе создания ксеноботов, но едва ли он имел при этом злой умысел.

Источники:

www.uvm.edu

cdorgs.github.io

www.pnas.org