Nächste Generation von lebenden Robotern erschaffen

Machen Sie sich bereit für Xenobots 2.0

Das gleiche Team hat nun Lebensformen geschaffen, die sich selbst aus einzelnen Zellen zusammensetzen, keine Muskelzellen benötigen, um sich zu bewegen, und sogar die Fähigkeit eines speicherbaren Gedächtnisses demonstrieren. Die Xenobots der neuen Generation bewegen sich auch schneller, navigieren in verschiedenen Umgebungen und haben eine längere Lebensdauer als die erste Ausgabe. Sie haben weiterhin die Fähigkeit, in Gruppen zusammenzuarbeiten und sich selbst zu heilen, wenn sie beschädigt werden. Die Ergebnisse der neuen Forschung wurden heute in Science Roboticsveröffentlicht

Im Vergleich zu Xenobots 1.0, bei dem die millimetergroßen Automaten in einem Top-Down"-Ansatz durch manuelle Platzierung von Gewebe und chirurgische Formung von Froschhaut und Herzzellen zur Erzeugung von Bewegung konstruiert wurden, verfolgt die nächste Version von Xenobots einen Bottom-Up"-Ansatz. Die Biologen an der Tufts University entnahmen Stammzellen aus Embryonen des afrikanischen Frosches Xenopus laevis (daher der Name "Xenobots") und ließen sie sich selbst zusammensetzen und zu Sphäroiden wachsen, in denen sich einige der Zellen nach einigen Tagen differenzierten, um Zilien zu produzieren - winzige haarähnliche Fortsätze, die sich hin und her bewegen oder auf eine bestimmte Art und Weise rotieren. Anstelle von manuell geformten Herzzellen, deren natürliche rhythmische Kontraktionen es den ursprünglichen Xenobots erlaubten, herumzukrabbeln, geben die Zilien den neuen sphäroidischen Bots "Beine", um sie schnell über eine Oberfläche zu bewegen. Bei Fröschen oder Menschen befinden sich Zilien normalerweise auf Schleimhäuten, wie z. B. in der Lunge, um Krankheitserreger und andere Fremdkörper auszustoßen. Bei den Xenobots werden sie zur schnellen Fortbewegung umfunktioniert.

"Wir sind Zeugen der bemerkenswerten Plastizität zellulärer Kollektive, die einen rudimentären neuen 'Körper' aufbauen, der sich von ihrem Standard - in diesem Fall ein Frosch - deutlich unterscheidet, obwohl er ein völlig normales Genom hat", sagt Michael Levin, Distinguished Professor of Biology und Direktor des Allen Discovery Center an der Tufts University und korrespondierender Autor der Studie. "In einem Frosch-Embryo kooperieren die Zellen, um eine Kaulquappe zu erzeugen. Hier, aus diesem Kontext herausgelöst, sehen wir, dass Zellen ihre genetisch kodierte Hardware, wie z. B. Zilien, für neue Funktionen wie die Fortbewegung umfunktionieren können. Es ist erstaunlich, dass Zellen spontan neue Rollen übernehmen und neue Körperpläne und Verhaltensweisen schaffen können, ohne dass es eine lange evolutionäre Selektion für diese Merkmale gibt."

"In gewisser Weise sind die Xenobots ähnlich aufgebaut wie ein herkömmlicher Roboter. Nur verwenden wir Zellen und Gewebe statt künstlicher Komponenten, um die Form zu bauen und ein vorhersehbares Verhalten zu erzeugen", sagt Senior Scientist Doug Blackiston, der die Studie zusammen mit der Forschungstechnikerin Emma Lederer verfasst hat. "Auf der Seite der Biologie hilft uns dieser Ansatz zu verstehen, wie Zellen kommunizieren, wenn sie während der Entwicklung miteinander interagieren, und wie wir diese Interaktionen besser kontrollieren können."

Während die Tufts-Wissenschaftler die physischen Organismen herstellten, waren die Wissenschaftler an der UVM damit beschäftigt, Computersimulationen durchzuführen, die verschiedene Formen der Xenobots modellierten, um zu sehen, ob sie unterschiedliche Verhaltensweisen zeigen könnten, sowohl einzeln als auch in Gruppen. Mit Hilfe des Deep Green Supercomputer-Clusters am Vermont Advanced Computing Core der UVM simulierte das Team um den Informatiker und Robotik-Experten Josh Bongard Hunderttausende von zufälligen Umweltbedingungen mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus. Diese Simulationen wurden verwendet, um Xenobots zu identifizieren, die am besten in der Lage sind, in Schwärmen zusammenzuarbeiten, um große Haufen von Trümmern in einem Feld von Partikeln zu sammeln.

"Wir kennen die Aufgabe, aber es ist überhaupt nicht offensichtlich - für Menschen - wie ein erfolgreiches Design aussehen sollte. Hier kommt der Supercomputer ins Spiel und durchsucht den Raum aller möglichen Xenobot-Schwärme, um den Schwarm zu finden, der die Aufgabe am besten erledigt", sagt Bongard. "Wir wollen, dass die Xenobots nützliche Arbeit verrichten. Im Moment geben wir ihnen einfache Aufgaben, aber letztendlich streben wir eine neue Art von lebendem Werkzeug an, das zum Beispiel Mikroplastik im Ozean oder Schadstoffe im Boden beseitigen könnte."

Wie sich herausstellte, sind die neuen Xenobots viel schneller und besser bei Aufgaben wie der Müllsammlung als das Modell aus dem letzten Jahr: Sie arbeiten im Schwarm zusammen, um eine Petrischale zu durchforsten und größere Haufen von Eisenoxidpartikeln aufzusammeln. Sie können auch große flache Oberflächen abdecken oder sich durch enge Kapillaren bewegen. Diese Studien deuten auch darauf hin, dass die In-silico-Simulationen in Zukunft weitere Eigenschaften der biologischen Bots für komplexere Verhaltensweisen optimieren könnten. Eine wichtige Funktion, die mit dem Xenobot-Upgrade hinzugefügt wurde, ist die Fähigkeit, Informationen zu speichern.

Jetzt mit Gedächtnis

Ein zentrales Merkmal der Robotik ist die Fähigkeit, Erinnerungen aufzuzeichnen und diese Informationen zu nutzen, um die Aktionen und das Verhalten des Roboters zu verändern. Aus diesem Grund haben die Tufts-Wissenschaftler die Xenobots mit einer Lese-/Schreibfunktion ausgestattet, um ein Bit an Informationen aufzuzeichnen. Dazu verwenden sie ein fluoreszierendes Reporterprotein namens EosFP, das normalerweise grün leuchtet. Wenn es jedoch mit Licht der Wellenlänge 390 nm bestrahlt wird, emittiert das Protein stattdessen rotes Licht.

Den Zellen der Frosch-Embryonen wurde Boten-RNA injiziert, die für das EosFP-Protein kodiert, bevor die Stammzellen entnommen wurden, um die Xenobots zu erzeugen. Die ausgereiften Xenobots haben nun einen eingebauten Fluoreszenzschalter, der die Exposition mit blauem Licht um 390nm registrieren kann.

Die Forscher testeten die Gedächtnisfunktion, indem sie 10 Xenobots um eine Oberfläche schwimmen ließen, auf der ein Punkt mit einem Lichtstrahl von 390nm beleuchtet wurde. Nach zwei Stunden stellten sie fest, dass drei Bots rotes Licht ausstrahlten. Die übrigen blieben in ihrem ursprünglichen Grün, wodurch die "Reiseerfahrung" der Bots effektiv aufgezeichnet wurde.

Dieser Grundsatzbeweis des molekularen Gedächtnisses könnte in Zukunft erweitert werden, um nicht nur Licht, sondern auch das Vorhandensein von radioaktiver Kontamination, chemischen Schadstoffen, Medikamenten oder eines Krankheitszustands zu erkennen und aufzuzeichnen. Eine weitere Entwicklung der Gedächtnisfunktion könnte die Aufzeichnung mehrerer Reize (mehr Informationsbits) ermöglichen oder die Bots in die Lage versetzen, Substanzen freizusetzen oder ihr Verhalten bei Wahrnehmung von Reizen zu ändern.

"Wenn wir die Bots mit mehr Fähigkeiten ausstatten, können wir sie mit Hilfe der Computersimulationen mit komplexeren Verhaltensweisen und der Fähigkeit, aufwändigere Aufgaben auszuführen, entwerfen", sagt Bongard. "Wir könnten sie potenziell so gestalten, dass sie nicht nur Zustände in ihrer Umgebung melden, sondern auch Zustände in ihrer Umgebung verändern und reparieren."

Xenobot, heile dich selbst

"Die biologischen Materialien, die wir verwenden, haben viele Funktionen, die wir eines Tages in den Bots implementieren möchten - Zellen können als Sensoren, Motoren für die Bewegung, Kommunikations- und Berechnungsnetzwerke und Aufzeichnungsgeräte zum Speichern von Informationen fungieren", sagte Levin. "Eine Sache, die die Xenobots und zukünftige Versionen von biologischen Bots können, die ihre Gegenstücke aus Metall und Plastik nur schwer können, ist der Aufbau ihres eigenen Körperplans, während die Zellen wachsen und reifen, und sich dann selbst reparieren und wiederherstellen, wenn sie beschädigt werden. Heilung ist eine natürliche Eigenschaft lebender Organismen, und sie ist in der Xenobot-Biologie erhalten."

Die neuen Xenobots waren bemerkenswert geschickt bei der Heilung und konnten den Großteil einer schweren Risswunde in voller Länge, die halb so dick war wie sie, innerhalb von 5 Minuten nach der Verletzung schließen. Alle verletzten Bots waren letztlich in der Lage, die Wunde zu heilen, ihre Form wiederherzustellen und ihre Arbeit wie zuvor fortzusetzen.

Ein weiterer Vorteil eines biologischen Roboters, fügt Levin hinzu, ist der Stoffwechsel. Anders als Metall- und Plastikroboter können die Zellen in einem biologischen Roboter Chemikalien aufnehmen und abbauen und arbeiten wie winzige Fabriken, die Chemikalien und Proteine synthetisieren und ausscheiden. Das gesamte Feld der synthetischen Biologie - das sich bisher weitgehend auf die Umprogrammierung von Einzellern zur Herstellung nützlicher Moleküle konzentriert hat - kann nun in diesen mehrzelligen Lebewesen genutzt werden.

Wie die ursprünglichen Xenobots können die aufgerüsteten Bots bis zu zehn Tage mit ihren embryonalen Energiespeichern überleben und ihre Aufgaben ohne zusätzliche Energiequellen ausführen, aber sie können auch viele Monate lang mit voller Kraft weitermachen, wenn sie in einer "Suppe" aus Nährstoffen gehalten werden.

Worauf die Wissenschaftler wirklich aus sind

Eine fesselnde Beschreibung der biologischen Bots und was wir von ihnen lernen können, wird in einem TED-Talk von Michael Levin präsentiert.

In seinem TED-Talk beschreibt Professor Levin nicht nur das bemerkenswerte Potenzial für winzige biologische Roboter, nützliche Aufgaben in der Umwelt oder möglicherweise in therapeutischen Anwendungen auszuführen, sondern er weist auch auf den vielleicht wertvollsten Nutzen dieser Forschung hin - die Verwendung der Bots, um zu verstehen, wie einzelne Zellen zusammenkommen, kommunizieren und sich spezialisieren, um einen größeren Organismus zu schaffen, so wie sie es in der Natur tun, um einen Frosch oder einen Menschen zu schaffen. Es ist ein neues Modellsystem, das eine Grundlage für die regenerative Medizin bilden kann.

Xenobots und ihre Nachfolger könnten auch Aufschluss darüber geben, wie sich mehrzellige Organismen aus uralten Einzellern entwickelt haben und wie Informationsverarbeitung, Entscheidungsfindung und Kognition in biologischen Organismen entstanden sind.

In Anerkennung der enormen Zukunft dieser Technologie haben die Tufts University und die University of Vermont das Institute for Computer Designed Organisms (ICDO) gegründet, das in den kommenden Monaten offiziell an den Start gehen soll. Das ICDO wird die Ressourcen der beiden Universitäten und externer Quellen zusammenführen, um lebende Roboter mit immer anspruchsvolleren Fähigkeiten zu entwickeln.