Искусственный интеллект с каждым годом становится все более развитым и способным выполнять сложные задачи, которые ранее считались невыполнимыми. Недавно команда ученых из Университета Вермонта совместила различные области науки, включая компьютерную науку, биологию и робототехнику, используя искусственный интеллект, чтобы создать ксеноботов. Но это только начало.

Ксеноботы оказались способны к размножению, открывая новые горизонты в области биотехнологии и создания искусственной жизни. Собственно, в этой статье мы рассмотрим, как ученые создали ксеноботов, как они работают, какие перспективы открываются для биологии и робототехники с появлением таких уникальных организмов.

Роботы — не роботы

Что первое приходит в голову, когда мы думаем о роботе? Скорее всего, человекоподобная машина в металлическом корпусе, управляемая электроникой. Хотя он может выполнять за нас работу по дому и, возможно, даже разговаривать с нами так, что кажется разумным, мы не считаем его живым. Но что, если создавать роботов не из твердых безжизненных материалов, а из мягких, на которые опирается природа, то есть из клеток? Именно такого подхода придерживаются исследователи из лаборатории профессора Джоша Бонгарда в Университете Вермонта в США.

В течение последних четырех лет они разрабатывали и создавали ксеноботов: миниатюрные машины, сделанные из живых клеток лягушки. Как поясняют сами разработчики, детали из металла или пластика не обладают интеллектом, поэтому создатели подходят к задаче иначе: строят роботов из компонентов, которые сами по себе являются фантастически умными машинами. Ученые-робототехники на протяжении десятилетий черпали вдохновение в природе. Благодаря ей, к примеру, появились актуаторы, основанные на настоящих мышцах, которые позволяют роботам двигаться быстрее и легче. А подушечки, как на лапах гекконов, позволяют роботам взбираться по вертикальном поверхностям, в том числе гладким, как стекло. Однако ксеноботы — это нечто иное, они сами созданы из природных строительных блоков.

Такой подход позволяет напрямую использовать природную адаптивность живых материалов. А ксеноботы созданы из живых клеток, взятых из эмбрионов лягушки, — никаких генетических изменений им не требуется. Хотя ученые уже знали, что эти клетки могут двигаться сами по себе, в данном случае их используют как материал для создания предсказуемых, похожих на роботов моделей, таких как пасущие частицы вокруг чашки Петри, сотрудничающие, как овчарки, и даже рождающие шарики из других клеток, которые можно считать детьми ксеноботов.

При чем здесь искусственный интеллект?

Ученые пока не знают, что именно определяет поведение ксеноботов, но их возможности потенциально полезны для решения самых разных задач. Например, очистка микропластика или, как исследователи описали в своей первой работе о ксеноботах, опубликованной в 2020 году, переползание к больным тканям человека, чтобы помочь восстановить их.

Но с чего же начинается создание ксенобота? Команда из Вермонта на компьютере создает популяцию виртуальных ксеноботов, удаляет тех, кто плохо справляется со своей работой. Ученые указывают искусственному интеллекту, сколько раундов искусственного отбора нужно пройти, и всего через несколько секунд получают свой проект. В качестве примера можно привести шарик из клеток с отверстием посередине, как у мешочка, который хорошо подходит для транспортировки предметов.

По словам доктора Фалька Таубера, эксперта по биоинспирированным технологиям из Университета Фрайберга в Германии, именно процесс проектирования на основе ИИ является настоящим шедевром в подходе команды из Вермонта. Без виртуальной чашки Петри, при использовании реальных клеток, тестирование сотен различных конфигураций клеток могло бы занять недели или даже месяцы. Аналогичным образом использование ИИ может быть полезным и в других сценариях — например, для быстрого создания индивидуальных трансплантатов органов, которые точно соответствуют анатомии пациента.

Но наступает момент, требующий времени: когда виртуальный дизайн необходимо перенести на реальные клетки. У единственного скульптора ксенороботов, биолога доктора Дага Блэкистона из Университета Тафтса, штат Массачусетс, этот процесс занимает несколько часов на каждого ксеноробота миллиметрового размера. Используя микрохирургические инструменты, доктор кропотливо вырезает форму, спроектированную ИИ, в ткани, собранной из эмбрионов лягушки. Однако он признает, что для реального применения ксеноботов необходимо ускорить процесс, чтобы создавать их больше 30–40 в неделю. Этот прогресс может быть достигнут благодаря 3D-печати, которая может использовать клетки и ткани в качестве печатного материала.

Что дальше?

Затем ксеноботы проводят чуть больше недели, ползая или плавая по блюду, после чего распадаются. Здесь важно отметить, что они не получают никакого питания (и не едят в принципе), поэтому срок их жизни ограничен. В своих первоначальных экспериментах исследователи создавали шагающих ксеноботов из комбинации клеток сердца и кожи. Теперь же они работают с клетками кожи, используя преимущества бьющихся волосоподобных структур, называемых ресничками, которые выступают на внешней поверхности клубков клеток, позволяя им плавать.

Рекомендуем почитать:

Увидев их движения, исследователи решили, что ксеноботы могут толкать предметы, но сомневались, будут ли ксеноботы достаточно сильными. Когда исследователи перешли к созданию плавающих ксеноботов, они стали давать их роям более интересные предметы для передвижения, например, клетки — те самые, из которых состоят сами миниатюрные роботы. Именно тогда произошло нечто интригующее: рой начал собирать клетки в маленькие кучки. Клетки лягушки липкие, поэтому кучки держались вместе, а через несколько дней на их поверхности начали появляться волоски — реснички, такие же, как на поверхности ксеноботов. А потом пара из них начала двигаться. В этот момент ученым стало ясно: ксеноботы создают больше самих себя. Важно подчеркнуть: это был не традиционный сценарий размножения, а совершенно новая форма репликации, которая никогда не наблюдалась в природе.

Доктор Блэкистон признается: он знал, что эксперимент сработает, если удастся создать правильные условия. Но это не сделало его менее захватывающим, когда ученый впервые продемонстрировал Бонгарду и команде одного из «детей», передвигающихся во время звонка Zoom. Когда исследователи поняли, что их ксеноботы могут самовоспроизводиться, они попросили свою лабораторную модель искусственного интеллекта разработать версии, которые могли бы делать это лучше. ИИ с задачей справился.

Тот факт, что ксеноботы теперь способны к самовоспроизведению, открывает целый набор потенциальных применений. Эта концепция применима к любой технологии, которая делает что-то полезное и становится тем полезнее, чем дальше распространяется. Хорошим примером здесь будет очистка окружающей среды, вакцины, а также технологии, позволяющие тушить лесные пожары. Впрочем, эти технологии не распространяются сами по себе, поэтому им может помочь самовоспроизводящийся носитель. И хотя все это пока только теория, исследователи показали с помощью компьютерного моделирования, что если кормить ксеноботов достаточным количеством клеток и они будут продолжать размножаться, то ксеноботы, используемые для более простых целей, таких как перемещение проводов в цепи, будут продолжать расти.

Если термин «самовоспроизводящиеся ксеноботы» звучит как сценарий из фантастического фильма, которого мы должны избегать, то следует помнить: родительские боты могут производить потомство только при определенных обстоятельствах, которые исследователи контролируют. Без доступа к дополнительным свободно плавающим клеткам они вообще не могут размножаться. Кроме того, ксеноботы команды являются биоразлагаемыми и «умирают» за несколько дней. На данный момент эти маленькие клеточные роботы надежно спрятаны в лабораториях и не могут жить во «внешнем мире». Хотя само слово «жизнь» — это не тот ярлык, который ученые могли бы применить к ксеноботам, потому что их выживание зависит от специфических условий. Но в целом мы можем смело сказать, что вместе с другими технологиями, такими как биогибриды, сочетающие органические и технологические компоненты, ксеноботы постепенно стирают грань между живым и неживым, возобновляя дебаты о том, что такое жизнь.

Кроме того, поведение ксеноботов породило и другие вопросы. Например, исследователи не знают, действительно ли ксенороботы сотрудничают друг с другом, когда толкают клетки и другие объекты. Могут ли они чувствовать друг друга через миллионы различных рецепторов, которые существуют на поверхности живых клеток? Или они просто бездумно двигаются, как заводные игрушки?

Что дальше?

Другой интригующий вопрос заключается в том, можно ли создавать биологических роботов из человеческих клеток и планирует ли команда исследователей пойти по этому пути. По словам ученых, это определенно есть в списке дел — ведь с точки зрения эволюции клетки лягушки и человека разделили свои пути не так давно, а значит, чисто в теории ксеноботы из человеческих клеток могут вести себя так же, как и из лягушачьих. Кроме того, ксеноботы из человеческих клеток гораздо лучше подошли бы для медицинского применения, хотя для этого придется пройти долгий путь.

Тем временем исследователи хотят узнать больше о том, что именно в биологии клеток лягушки заставляет их вести себя так, как они ведут себя. Они надеются узнать, как лучше манипулировать живыми материалами для создания более совершенных машин. Искусственный интеллект уже выясняет это, но пока не может сообщить подробностей. Ключевая часть работы заключается в том, чтобы заставить ИИ объяснить нам, людям, то, что он узнал о биологии.

Прочитано: 38