Winzige 'lebende' Roboter haben herausgefunden, wie man sich reproduziert

Forscher, die angeblich die ersten lebenden Roboter der Welt entwickelt haben, berichten nun, dass sie sich auf beispiellose Weise reproduzieren können, so eine von Experten begutachtete Studie, die am Montag in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

Bei den fraglichen Robotern handelt es sich nicht um kleine Konstruktionen aus Silizium und Metall, sondern um biologische Maschinen namens Xenobots , die Forscher der University of Vermont und der Tufts University im vergangenen Jahr erstmals beschrieben haben . Die Xenobots sind genetisch unveränderte, kultivierte Stammzellbündel des afrikanischen Krallenfrosches Xenopus laevis . Joshua Bongard, Informatiker und Robotikexperte der University of Vermont, bezeichnete sie in einer Pressemitteilung im vergangenen Januar als „neuartige lebende Maschinen“, die eine „neue Klasse von Artefakten: einen lebenden, programmierbaren Organismus“ darstellen.

Die Xenobots sind in dem Sinne programmierbar, dass ihr rudimentäres Verhalten meist durch ihre Anfangsformen vorgegeben ist. Wie Gizmodo Reporter George Dvorsky schrieb im vergangenen Jahr „, einen evolutionären Algorithmus verwenden, entwickelten die Forscher Tausende von möglichen Designs für ihre neue Lebensform, mit der Fähigkeit zur unidirektionalen Fortbewegung eine grundlegende physikalische Voraussetzung zu sein. ... Dann wurden spezialisierte Zellen gezüchtet und akribisch zusammengebaut, um der vom Computer entworfenen Form zu entsprechen.“ Die Xenobots können mit der in ihren Zellen gespeicherten Energie tage- bis wochenlang in einer aquatischen Umgebung leben. Während ihre Lebensdauer mit einer nährstoffreichen Umgebung verlängert werden kann, werden sie danach unweigerlich biologisch abgebaut.

„Die Definition von ‚Roboter‘ war nie einfach, obwohl ältere Technologien diese Tatsache irgendwie verschleierten und den Anschein erweckten, als wüssten wir, was eine gute Definition von ‚Roboter‘ ist und wie man sich von Amöben, Bakterien, Fischen, Menschen usw. unterscheidet.“ Studienautor Michael Levin sagte Gizmodo per E-Mail. „Diese Technologie macht deutlich, dass wir einige wichtige Wissenslücken rund um die Konzepte Roboter, Maschine, Organismus, Programm usw. haben.“

In dem neuen Papier berichteten Forscher der beiden Universitäten sowie des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University, dass die Xenobots mit einer bisher unbekannten Methode, die von Tier- oder Pflanzenarten verwendet werden konnte, autonom mehr von sich selbst machen. Levin sagte gegenüber CNN, dass ihn die Methode namens kinematische Replikation „erstaunt“ habe.

Das Team beobachtete, wie die Xenobots, die aus jeweils rund 3.000 Stammzellen bestehen, sich in einer Petrischale bewegten, um verstreute Stammzellen zu sammeln und zu Klumpen zu formen. Als schließlich genügend Stammzellen gesammelt wurden, wurden diese Klumpen zu neuen Xenobots. Bongard sagte gegenüber CNN, dass das ursprünglich beobachtete Verhalten zwar selten und situationsspezifisch war, das Team jedoch den Supercomputer benutzte, um Milliarden von Körperformen zu testen, um die ideale Form für die Sammlung zu bestimmen; Am Ende spuckte es etwas aus, das Pac-Man sehr ähnlich sah. Genau wie Pac-Mans Form ideal zum Verschlingen von Geistern ist, waren die C-förmigen Xenobots viel effektiver darin, Stammzellenklumpen zu fangen und neue Xenobots zu bilden.

„Die meisten Leute denken, dass Roboter aus Metall und Keramik bestehen, aber es geht nicht so sehr darum, woraus ein Roboter besteht, sondern was er tut, nämlich im Namen der Menschen eigenständig zu handeln“, sagte Bongard gegenüber CNN. „... Die KI hat diese Maschinen nicht so programmiert, wie wir normalerweise beim Schreiben von Code denken. Es formte und modellierte und kam zu dieser Pac-Man-Form.“

Bongard sagte gegenüber CNN, dass „die Form im Wesentlichen das Programm ist“ und „beeinflusst, wie sich die Xenobots verhalten, um diesen unglaublich überraschenden Prozess zu verstärken“.

Bongard teilte Gizmodo in einer E-Mail mit, dass Froschzellen verwendet wurden, weil sie einer der am häufigsten in biologischen Studien verwendeten Organismen sind. Levin und ein weiterer Biologe im Team, Douglas Blackiston, haben ebenfalls umfangreiche Erfahrung in der Arbeit mit Froschgewebe. Bongard erklärte, dass die frühere Forschung des Teams, die Xenobots in ein bestimmtes Verhalten zu versetzen, zu der Entdeckung führte, dass sie sich selbst replizieren konnten.

„In unserem ersten Experiment vom Januar 2020 haben wir Froschherzmuskelgewebe in die Xenobots aufgenommen und gezeigt, dass es langsam über den Boden einer Petrischale schlurfen kann“, sagte Bongard gegenüber Gizmodo. „In einer zweiten Arbeit vom März 2021 haben wir gezeigt, dass Xenobots auf ihrer äußeren Oberfläche kleine Härchen wachsen lassen können, die Zilien genannt werden. Sie schlagen diese Flimmerhärchen, um zu schwimmen, was zu einer schnelleren Bewegung führt, als durch Wasser zu gehen. Wir haben auch gezeigt, dass wir die Bots dazu bringen können, ‚sehen‘, ‚erinnern‘, ‚zurückkommen‘ und ‚erzählen‘: Die Xenobots wurden dazu gebracht, grün zu leuchten.“

„Wenn sie mit blauem Licht in Kontakt kommen, das etwas Interessantes für den Menschen in ihrer Umgebung darstellen soll, wechseln sie dauerhaft zu leuchtendem Rot“, fügte Bongard hinzu. „Durch das Zählen der roten Bots am Ende der Erfahrung konnten wir feststellen, wie viele Bots das blaue Licht „gesehen“ hatten. Wir haben auch gezeigt, dass ein sich zufällig bewegender Xenobot-Schwarm dazu führt, dass Pellets in seiner Umgebung auf Haufen gestoßen werden. Dies war ein Teil der Inspiration für diese aktuelle Arbeit ... Daraus entstand die Idee, die Pellets durch einzelne Zellen zu ersetzen, um zu sehen, was passieren würde.“

Es ist bekannt, dass kinematische Replikation auf molekularer Ebene stattfindet, aber Bongard sagte gegenüber Gizmodo, dass sie nie in Organismen beobachtet oder angenommen wurde. Laut der Studie bestätigten die Forscher, dass die Xenobots und nicht „Fluiddynamik und Selbstorganisation“ für die Replikation verantwortlich waren, nachdem sie beobachteten, dass sich die Stammzellen in Abwesenheit der Xenobots nicht spontan kombinierten.

In der Studie schreiben die Forscher, dass die kinematische Replikation und die spontane Selbstreplikation der Xenobots helfen könnten, die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu erklären. Sie schrieben, dass mehr Forschung die Amyloid-Welt-Hypothese voranbringen könnte, die „annimmt, dass selbstorganisierende Peptide die erste molekulare Einheit waren, die zur Selbstreplikation fähig war und somit die früheste Stufe in der Evolution des Lebens darstellen würden, sogar noch vor der RNA-Welt. ” Die Studie könnte auch zum Verständnis beitragen, „wie selbstverstärkende Prozesse spontan, auf neue Weise und in neuen Formen in abiotischen, zellulären oder biohybriden Maschinen entstehen können“, fügten sie hinzu. Auf ihrer Website, spekuliert das Team, dass Xenobots zum Verständnis der Zellbiologie beitragen und schließlich zu Fortschritten in der regenerativen Medizin führen könnten.

Es ist wirklich nicht abzusehen, wofür zukünftige Xenobots verwendet werden könnten, sagte Bongard. „Es ist unmöglich zu wissen, welche Anwendungen eine Technologie in einem sehr frühen Stadium wie Xenobots haben wird“, schrieb Bongard. „Alles, was wir tun können, ist die Vorteile dieser Technologie gegenüber herkömmlichen Robotern zu berücksichtigen, nämlich dass sie klein, biologisch abbaubar und im Wasser glücklich sind.“

„Das bedeutet, dass sie mit den richtigen Vorschriften in geschlossenen Umgebungen arbeiten können: Sie können Pflanzenwurzeln in vertikalen Farmen inspizieren, die Produktion von kultiviertem Fleisch erleichtern oder die Kosten für die Herstellung von Frischwasser in Entsalzungsanlagen senken“, sagte Bongard genannt.

Levin sagte gegenüber Gizmodo, dass mögliche Anwendungen für Xenobots in mehreren Bereichen auftreten könnten. Eine davon sind „nützliche, spezifische synthetische lebende Maschinen (um Arbeit im Körper zu verrichten, in vitro zum Formen von Geweben für Transplantationen, in Produktionsanlagen/Anlagen, in der Umwelt, bei der Erforschung usw.)“, schrieb er, während eine andere „Die Xenobots als Sandbox zu verwenden, um zu lernen, wie man Zellgruppen davon überzeugt, das aufzubauen, was sie bauen sollen – wenn wir das zuverlässig tun können, werden wir in der Lage sein, wirklich transformative regenerative Medizin für Geburtsfehler, Krebs und Traumata zu haben.“ Verletzungen, Alterung usw. All diese Situationen können angegangen werden, wenn wir verstehen, wie man Zellen dazu anregt, ihre kollektive Problemlösungsfähigkeit zu nutzen, um die Organe und Gewebe herzustellen, die sie herstellen wollen.“

Levin fügte hinzu, dass die Xenobots Wissenschaftlern helfen könnten, „die Ziele und das Verhalten von Schwärmen von Wirkstoffen – in diesem Fall Zellen – besser zu verstehen und zu kontrollieren positive Ergebnisse haben."