Ilmuwan menciptakan robot hidup generasi berikutnya
Spotlight

Ilmuwan menciptakan robot hidup generasi berikutnya


Xenobots menunjukkan aktivitas gerombolan kooperatif, dalam hal ini bekerja sama untuk mengumpulkan tumpukan partikel kecil. Kredit: Doug Blackiston, Universitas Tufts

Tahun lalu, tim ahli biologi dan ilmuwan komputer dari Tufts University dan University of Vermont (UVM) menciptakan mesin biologis kecil yang dapat menyembuhkan diri sendiri dari sel katak yang disebut “Xenobots” yang dapat bergerak, mendorong muatan, dan bahkan memamerkan secara kolektif. perilaku di hadapan segerombolan Xenobots lainnya.

Bersiaplah untuk Xenobots 2.0.

Tim yang sama kini telah menciptakan bentuk kehidupan yang merakit sendiri tubuh dari sel tunggal, tidak memerlukan sel otot untuk bergerak, dan bahkan mendemonstrasikan kemampuan memori yang dapat direkam. Xenobots generasi baru juga bergerak lebih cepat, menavigasi lingkungan yang berbeda, dan memiliki masa hidup yang lebih lama daripada edisi pertama, dan mereka masih memiliki kemampuan untuk bekerja sama dalam kelompok dan menyembuhkan diri sendiri jika rusak. Hasil penelitian baru dipublikasikan hari ini di Ilmu Robotika

Dibandingkan dengan Xenobots 1.0, di mana robot berukuran milimeter dibuat dengan pendekatan “dari atas ke bawah” dengan penempatan jaringan secara manual dan pembedahan pembentukan kulit katak dan sel jantung untuk menghasilkan gerakan, versi Xenobots berikutnya mengambil “dari bawah ke atas” pendekatan. Para ahli biologi di Tufts mengambil sel induk dari embrio katak Afrika Xenopus laevis (karena itu dinamai “Xenobots”) dan membiarkannya berkumpul sendiri dan tumbuh menjadi spheroid, di mana beberapa sel setelah beberapa hari berdiferensiasi untuk menghasilkan silia — kecil proyeksi seperti rambut yang bergerak maju mundur atau berputar dengan cara tertentu. Alih-alih menggunakan sel jantung yang dipahat secara manual yang kontraksi ritmis alaminya memungkinkan Xenobots asli bergerak cepat, silia memberikan “kaki” bot spheroidal baru untuk menggerakkan mereka dengan cepat melintasi permukaan. Pada katak, atau manusia, silia biasanya ditemukan pada permukaan mukosa, seperti di paru-paru, untuk membantu mendorong patogen dan bahan asing lainnya. Di Xenobots, mereka digunakan kembali untuk memberikan penggerak yang cepat.

“Kami menyaksikan plastisitas luar biasa dari kolektif seluler, yang membangun ‘tubuh’ baru yang sangat berbeda dari standar mereka — dalam hal ini, katak — meskipun memiliki genom yang sepenuhnya normal,” kata Michael Levin, Profesor Biologi yang Terhormat. dan direktur Allen Discovery Center di Tufts University, dan penulis terkait studi tersebut. “Dalam embrio katak, sel bekerja sama untuk membuat kecebong. Di sini, dikeluarkan dari konteks itu, kami melihat bahwa sel dapat menggunakan kembali perangkat keras yang dikodekan secara genetik, seperti silia, untuk fungsi baru seperti penggerak. Sungguh menakjubkan bahwa sel dapat secara spontan mengambil peran baru dan membuat rencana tubuh dan perilaku baru tanpa periode seleksi evolusioner yang lama untuk fitur tersebut. “

“Di satu sisi, Xenobots dibangun seperti robot tradisional. Hanya kami menggunakan sel dan jaringan daripada komponen buatan untuk membangun bentuk dan menciptakan perilaku yang dapat diprediksi.” kata ilmuwan senior Doug Blackiston, yang menjadi penulis pertama penelitian ini bersama teknisi penelitian Emma Lederer. “Pada akhirnya secara biologi, pendekatan ini membantu kita memahami bagaimana sel berkomunikasi saat mereka berinteraksi satu sama lain selama perkembangan, dan bagaimana kita dapat mengontrol interaksi tersebut dengan lebih baik.”

Sementara para ilmuwan Tufts menciptakan organisme fisik, para ilmuwan di UVM sibuk menjalankan simulasi komputer yang memodelkan berbagai bentuk Xenobots untuk melihat apakah mereka mungkin menunjukkan perilaku yang berbeda, baik secara individu maupun dalam kelompok. Menggunakan cluster superkomputer Deep Green di UVM’s Vermont Advanced Computing Core, tim yang dipimpin oleh ilmuwan komputer dan pakar robotika Josh Bongard dan di bawah ratusan ribu kondisi lingkungan acak menggunakan algoritme evolusioner. Simulasi ini digunakan untuk mengidentifikasi Xenobots yang paling mampu bekerja sama dalam kawanan untuk mengumpulkan tumpukan besar puing di bidang partikel.

“Kami tahu tugasnya, tapi sama sekali tidak jelas — bagi orang-orang — seperti apa desain yang sukses seharusnya. Di situlah superkomputer masuk dan mencari ruang dari semua kawanan Xenobot yang mungkin untuk menemukan kawanan yang melakukan pekerjaan terbaik, “kata Bongard. “Kami ingin Xenobots melakukan pekerjaan yang berguna. Saat ini kami memberi mereka tugas-tugas sederhana, tetapi pada akhirnya kami menargetkan alat hidup baru yang dapat, misalnya, membersihkan mikroplastik di laut atau kontaminan di tanah.”

Ternyata, Xenobots baru jauh lebih cepat dan lebih baik dalam tugas-tugas seperti pengumpulan sampah daripada model tahun lalu, bekerja sama dalam kawanan untuk menyapu cawan petri dan mengumpulkan tumpukan partikel oksida besi yang lebih besar. Mereka juga dapat menutupi permukaan datar yang besar, atau melakukan perjalanan melalui kapiler sempit. Studi ini juga menunjukkan bahwa simulasi in silico di masa depan dapat mengoptimalkan fitur tambahan bot biologis untuk perilaku yang lebih kompleks. Salah satu fitur penting yang ditambahkan dalam peningkatan Xenobot adalah kemampuan untuk merekam informasi.

Sekarang dengan ingatan

Fitur utama robotika adalah kemampuan untuk merekam memori dan menggunakan informasi tersebut untuk memodifikasi tindakan dan perilaku robot. Dengan pemikiran tersebut, para ilmuwan Tufts merekayasa Xenobots dengan kemampuan baca / tulis untuk merekam satu bit informasi, menggunakan protein reporter fluoresen yang disebut EosFP, yang biasanya bersinar hijau. Namun, saat terkena cahaya pada panjang gelombang 390nm, protein tersebut malah memancarkan cahaya merah.

Sel-sel embrio katak diinjeksi dengan messenger RNA yang mengkode protein EosFP sebelum sel induk dipotong untuk membuat Xenobots. Xenobots dewasa sekarang memiliki sakelar fluoresen built-in yang dapat merekam paparan cahaya biru sekitar 390nm.

Xenobots dirancang untuk menunjukkan aktivitas gerombolan, bergerak dengan “kaki” silia. Kredit: Doug Blackiston, Universitas Tufts

Para peneliti menguji fungsi memori dengan memungkinkan 10 Xenobots berenang di sekitar permukaan di mana satu tempat diterangi dengan berkas cahaya 390nm. Setelah dua jam, mereka menemukan bahwa tiga bot memancarkan cahaya merah. Sisanya tetap hijau asli mereka, secara efektif merekam “pengalaman perjalanan” dari bot.

Bukti prinsip memori molekuler ini dapat diperpanjang di masa depan untuk mendeteksi dan merekam tidak hanya cahaya tetapi juga keberadaan kontaminasi radioaktif, polutan kimia, obat-obatan, atau kondisi penyakit. Rekayasa lebih lanjut dari fungsi memori dapat memungkinkan perekaman beberapa rangsangan (lebih banyak informasi) atau memungkinkan bot untuk melepaskan senyawa atau mengubah perilaku saat merasakan rangsangan.

“Saat kami menghadirkan lebih banyak kemampuan ke bot, kami dapat menggunakan simulasi komputer untuk mendesainnya dengan perilaku yang lebih kompleks dan kemampuan untuk melakukan tugas yang lebih rumit,” kata Bongard. “Kami berpotensi merancang mereka tidak hanya untuk melaporkan kondisi di lingkungan mereka tetapi juga untuk memodifikasi dan memperbaiki kondisi di lingkungan mereka.”

Xenobot, sembuhkan dirimu

“Bahan biologis yang kami gunakan memiliki banyak fitur yang suatu saat ingin kami terapkan di bot — sel dapat bertindak seperti sensor, motor untuk pergerakan, jaringan komunikasi dan komputasi, dan perangkat perekam untuk menyimpan informasi,” kata Levin. “Satu hal yang dapat dilakukan Xenobots dan versi masa depan dari bot biologis yang mengalami kesulitan bagi rekan logam dan plastik mereka adalah membangun rancangan tubuh mereka sendiri saat sel tumbuh dan matang, dan kemudian memperbaiki dan memulihkan diri jika rusak. Penyembuhan adalah hal yang alami. fitur organisme hidup, dan itu diawetkan dalam biologi Xenobot. “

Xenobots baru sangat mahir dalam penyembuhan dan akan menutup sebagian besar laserasi yang parah setengah dari ketebalannya dalam waktu 5 menit setelah cedera. Semua bot yang terluka pada akhirnya dapat menyembuhkan luka, memulihkan bentuknya, dan melanjutkan pekerjaannya seperti sebelumnya.

Keuntungan lain dari robot biologis, tambah Levin, adalah metabolisme. Tidak seperti robot logam dan plastik, sel-sel dalam robot biologis dapat menyerap dan memecah bahan kimia dan bekerja seperti pabrik kecil yang mensintesis dan mengeluarkan bahan kimia dan protein. Seluruh bidang biologi sintetik — yang sebagian besar berfokus pada pemrograman ulang organisme bersel tunggal untuk menghasilkan molekul yang berguna — sekarang dapat dieksploitasi pada makhluk multiseluler ini.

Seperti Xenobots asli, bot yang ditingkatkan dapat bertahan hingga sepuluh hari di penyimpanan energi embrionik mereka dan menjalankan tugas mereka tanpa sumber energi tambahan, tetapi mereka juga dapat melanjutkan dengan kecepatan penuh selama berbulan-bulan jika disimpan dalam “sup” nutrisi.

Apa yang sebenarnya dicari oleh para ilmuwan

Deskripsi menarik tentang bot biologis dan apa yang dapat kita pelajari darinya disajikan dalam TED Talk oleh Michael Levin (go.ted.com/michaellevin) (tautan akan ditayangkan pada 31 Maret 2021 2pm ET)

Dalam TED Talk-nya, profesor Levin menjelaskan tidak hanya potensi luar biasa dari robot biologis kecil untuk menjalankan tugas yang berguna di lingkungan atau berpotensi dalam aplikasi terapeutik, tetapi dia juga menunjukkan manfaat paling berharga dari penelitian ini — menggunakan bot untuk memahami bagaimana sel individu berkumpul, berkomunikasi, dan berspesialisasi untuk menciptakan organisme yang lebih besar, seperti yang mereka lakukan di alam untuk menciptakan katak atau manusia. Ini adalah sistem model baru yang dapat memberikan landasan bagi pengobatan regeneratif.

Xenobots dan penerusnya juga dapat memberikan wawasan tentang bagaimana organisme multiseluler muncul dari organisme bersel tunggal purba, dan asal mula pemrosesan informasi, pengambilan keputusan dan kognisi dalam organisme biologis.

Menyadari masa depan yang luar biasa untuk teknologi ini, Tufts University dan University of Vermont telah mendirikan Institute for Computer Design Organisms (ICDO), yang akan diluncurkan secara resmi dalam beberapa bulan mendatang, yang akan mengumpulkan sumber daya dari masing-masing universitas dan sumber luar untuk menciptakan kehidupan. robot dengan kemampuan yang semakin canggih.


Bukan bot, bukan binatang: Ilmuwan menciptakan organisme hidup pertama yang dapat diprogram


Informasi lebih lanjut:
D. Blackiston el al., “Sebuah platform seluler untuk pengembangan mesin hidup sintetis,” Ilmu Robotika (2021). robotics.sciencemag.org/lookup… /scirobotics.abf1571

Disediakan oleh Tufts University

Kutipan: Ilmuwan menciptakan robot hidup generasi berikutnya (2021, 31 Maret), diambil pada 31 Maret 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-03-scientists-robots.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten tersebut disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SGP Hari Ini