Ксеноботы: ученые создали первых живых роботов, способных воспроизводить себе подобных
Ксеноботы, созданные искусственным интеллектом, открывают совершенно новую форму биологического самовоспроизведения, многообещающую для регенеративной медицины.
Чтобы существовать, жизнь должна воспроизводиться. За миллиарды лет организмы развили множество способов размножения. Теперь ученые открыли совершенно новую форму биологического воспроизводства и применили свое открытие для создания первых в мире самовоспроизводящихся живых роботов.
Та же команда, которая построила первых живых роботов («ксеноботов», собранных из клеток лягушки — о которых сообщалось в 2020 году), обнаружила, что эти спроектированные компьютером и собранные вручную организмы могут плавать в своей крошечной среде, находить отдельные клетки, собирать сотни их вместе и делать «маленьких» ксеноботов внутри своего «рта» в форме пак-мэна, которые через несколько дней становятся новыми ксеноботами, которые выглядят и двигаются точно так же, как и они сами.
А затем эти новые ксеноботы смогут искать клетки и опять создавать свои копии. Снова и снова.
«При правильном подходе и конструкции они будут спонтанно самовоспроизводиться», — говорит Джошуа Бонгард, эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования.
Сам по себе родительский объект Xenobot, состоящий из примерно 3000 клеток, образует сферу. «Из них могут родиться дети, но после этого система обычно вымирает. На самом деле очень сложно заставить систему продолжать воспроизводство, — говорят ученые.
Но с помощью программы искусственного интеллекта, работающей на суперкомпьютерном кластере Deep Green в Advanced Computing Core UVM в Вермонте, эволюционный алгоритм смог протестировать миллиарды форм тел в моделировании — треугольники, квадраты, пирамиды, морские звезды — чтобы найти те, которые позволили клеткам быть более эффективным при «кинематической» репликации на основе движения, о которой сообщается в новом исследовании.
«Мы попросили суперкомпьютер в UVM выяснить, как отрегулировать форму первоначальных родителей, и после нескольких месяцев работы ИИ придумал некоторые странные конструкции, в том числе тот, который напоминал Pac-Man», — говорит автор исследования Сэм Кригман. «Это выглядит очень просто, но инженеру-человеку такое не придумать. Почему один крошечный рот? Почему не пять? Мы создали родительских ксеноботов в форме Pac-Man. Потом эти родители построили детей, которые построили внуков, которые построили правнуков, которые построили праправнуков».
Другими словами, правильный дизайн значительно увеличил количество поколений. При этом, кинематическая репликация хорошо известна на уровне молекул, но никогда раньше не наблюдалась в масштабе целых клеток или организмов.
«Мы обнаружили, что существует ранее неизвестное пространство внутри организмов или живых систем, и это огромное пространство», — говорит Джошуа Бонгард. «Как же нам тогда исследовать это пространство? Мы нашли ксеноботов, которые ходят. Мы нашли плавающих ксеноботов. И теперь, в этом исследовании, мы обнаружили ксеноботов, которые кинематически воспроизводятся. Что еще есть?»
Или, как пишут ученые в исследовании Proceedings of the National Academy of Sciences: «жизнь таит в себе удивительное поведение прямо под поверхностью, ожидая своего раскрытия».
Реакция на риск и надежды на будущее
Некоторых людей это может воодушевить. Другие могут с беспокойством или даже ужасом отреагировать на самовоспроизводящуюся биотехнологию. Для команды ученых цель — более глубокое понимание.
«Мы работаем, чтобы понять это свойство: репликация. Мир и технологии стремительно меняются. Для общества в целом важно, чтобы мы изучали и понимали, как это работает», — говорит Джошуа Бонгард. Эти живые машины миллиметрового размера, помещенные в лабораторию, легко выключаемые и проверенные федеральными, государственными и институциональными экспертами по этике, «не мешают мне спать по ночам. Риск представляет новая пандемия; ускорение ущерба экосистеме от загрязнения; усиление угроз, связанных с изменением климата. Это идеальная система для изучения самовоспроизводящихся систем. У нас есть моральный долг понимать условия, при которых мы можем контролировать это, направлять, подавлять, развивать».
Джошуа Бонгард указывает на эпидемию COVID и охоту за вакциной. «Скорость, с которой мы можем предложить решения, имеет большое значение. Если мы сможем разрабатывать технологии, обучаясь у ксеноботов, где мы можем быстро сказать ИИ: «Нам нужен биологический инструмент, который выполняет X и Y и подавляет Z», — это может быть очень полезно. Сегодня это занимает очень много времени».
Команда ученых нацелена на то, чтобы ускорить переход от выявления проблемы к поиску решений — например, использование живых машин для извлечения микропластика из водных путей или создания новых лекарств.
«Нам необходимо создавать технологические решения, которые будут расти с той же скоростью, что и проблемы, с которыми мы сталкиваемся».
И ученые видят в исследованиях многообещающие достижения в области регенеративной медицины. «Если бы мы знали, как сказать популяциям клеток делать то, что мы от них хотим, в конечном итоге это была бы регенеративная медицина — это решение проблемы травматических повреждений, врожденных дефектов, рака и старения».
«Все эти различные проблемы существуют, потому что мы не знаем, как предсказать и контролировать, какие группы клеток будут создаваться. Ксеноботы — это новая платформа для обучения».
Исследование было опубликовано в журнале PNAS.