Xenobots 20 peut auto-assembler un corps à partir de cellules individuelles et ne nécessite pas de cellules musculaires pour bouger

Last year, une équipe de biologistes et d’informaticiens de l’Université Tufts et de l’Université du Vermont (UVM) a créé de minuscules machines biologiques auto-guérissantes à partir de cellules de grenouilles appelées «Xenobots». Ces cellules peuvent se déplacer, pousser une charge utile et même présenter un comportement collectif en présence d’un essaim d’autres Xenobots

La même équipe a maintenant créé des formes de vie qui auto-assemblent un corps à partir de cellules uniques, ne nécessitent pas de cellules musculaires pour se déplacer et démontrent même la capacité d’une mémoire enregistrable. Les Xenobots de nouvelle génération se déplacent également plus rapidement, naviguent dans différents environnements et ont une durée de vie plus longue que la première édition, et ils ont toujours la capacité de travailler ensemble en groupe et de se soigner s’ils sont endommagés.

Par rapport aux Xenobots 10, dans lequel les automates de taille millimétrique ont été construits selon une approche «descendante» par placement manuel de tissus et mise en forme chirurgicale de la peau de grenouille et des cellules cardiaques pour produire un mouvement, la prochaine version de Xenobots adopte une approche «ascendante» Les biologistes de Tufts ont prélevé des cellules souches d’embryons de la grenouille africaine Xenopus laevis (hence the name «Xenobots») et leur ont permis de s’auto-assembler et de se développer en sphéroïdes, où certaines des cellules après quelques jours se sont différenciées pour produire des cilsminuscules projections ressemblant à des cheveux qui se déplacent d’avant en arrière ou tournent d’une manière spécifique Au lieu d’utiliser des cellules cardiaques sculptées manuellement dont les contractions rythmiques naturelles permettaient aux Xenobots d’origine de se déplacer, les cils donnent aux nouveaux robots sphéroïdaux des «jambes» pour les déplacer rapidement sur une surface. Chez une grenouille, ou un humain d’ailleurs, les cils se trouveraient normalement sur les surfaces muqueuses, comme dans les poumons, pour aider à expulser les agents pathogènes et autres matières étrangères. Sur les Xenobots, ils sont réutilisés pour fournir une locomotion rapide

«Nous assistons à la plasticité remarquable des collectifs cellulaires, qui construisent un nouveau« corps »rudimentaire qui est tout à fait distinct de leur défaut – in that case, une grenouillemalgré un génome tout à fait normal», déclare Michael Levin, professeur de biologie et directeur de l’Allen Discovery Center de l’Université Tufts, et auteur correspondant de l’étude «Dans un embryon de grenouille, les cellules coopèrent pour créer un têtard Ici, retirés de ce contexte, nous voyons que les cellules peuvent réutiliser leur matériel génétiquement codé, comme les cils, pour de nouvelles fonctions telles que la locomotion. Il est étonnant que les cellules puissent spontanément assumer de nouveaux rôles et créer de nouveaux plans et comportements corporels sans de longues périodes de sélection évolutive pour ces caractéristiques.

«Somehow, les Xenobots sont construits comme un robot traditionnel Nous n’utilisons que des cellules et des tissus plutôt que des composants artificiels pour construire la forme et créer un comportement prévisible », explique le scientifique principal Doug Blackiston, qui a co-auteur de l’étude avec la technicienne de recherche Emma Lederer. «Du côté de la biologie, cette approche nous aide à comprendre comment les cellules communiquent lorsqu’elles interagissent les unes avec les autres au cours du développement, et comment nous pourrions mieux contrôler ces interactions.

Pendant que les scientifiques de Tufts créaient les organismes physiques, les scientifiques d’UVM étaient occupés à exécuter des simulations informatiques qui modélisaient différentes formes de Xenobots pour voir s’ils pouvaient présenter des comportements différents, à la fois individuellement et en groupe. À l’aide du cluster de superordinateurs Deep Green du Vermont Advanced Computing Core d’UVM, l’équipe, dirigée par des informaticiens et experts en robotique Josh Bongard et dans des centaines de milliers de conditions environnementales aléatoires à l’aide d’un algorithme évolutif Ces simulations ont été utilisées pour identifier les Xenobots les plus capables de travailler ensemble en essaims pour rassembler de gros tas de débris dans un champ de particules

«Nous connaissons la tâche à accomplir, mais ce n’est pas du tout évidentpour les gensà quoi devrait ressembler un design réussi», déclare Bongard «C’est là que le supercalculateur entre en jeu et recherche dans l’espace de tous les essaims Xenobot possibles pour trouver l’essaim qui fait le mieux le travail. Nous voulons que Xenobots fasse un travail utile À l’heure actuelle, nous leur confions des tâches simples, mais en fin de compte, nous visons un nouveau type d’outil vivant qui pourrait, for example, nettoyer les microplastiques dans l’océan ou les contaminants dans le sol.

Il s’avère que les nouveaux Xenobots sont beaucoup plus rapides et meilleurs pour des tâches telles que la collecte des ordures que le modèle de l’année dernière, travaillant ensemble dans un essaim pour balayer une boîte de Pétri et rassembler de plus gros tas de particules d’oxyde de fer Ils peuvent également couvrir de grandes surfaces planes ou traverser des capillaires étroits

Ces études suggèrent également que les simulations in silico pourraient à l’avenir optimiser des fonctionnalités supplémentaires de robots biologiques pour des comportements plus complexes Une fonctionnalité importante ajoutée dans la mise à niveau de Xenobot est la possibilité d’enregistrer des informations

Une caractéristique centrale de la robotique est la possibilité d’enregistrer la mémoire et d’utiliser ces informations pour modifier les actions et le comportement du robot Dans cet esprit, les scientifiques de Tufts ont conçu les Xenobots avec une capacité de lecture / écriture pour enregistrer un bit d’information, en utilisant une protéine rapporteur fluorescente appelée EosFP, qui brille normalement en vert. However, lorsqu’elle est exposée à la lumière à une longueur d’onde de 390 nm, la protéine émet une lumière rouge à la place.

Les cellules des embryons de grenouilles ont reçu une injection d’ARN messager codant pour la protéine EosFP avant que les cellules souches ne soient excisées pour créer les Xenobots Les Xenobots matures ont maintenant un commutateur fluorescent intégré qui peut enregistrer l’exposition à la lumière bleue autour de 390 nm

Les chercheurs ont testé la fonction de mémoire en permettant à 10 Xenobots de nager autour d’une surface sur laquelle un point est éclairé par un faisceau de 390 nm. Après deux heures, ils ont constaté que trois robots émettaient de la lumière rouge Le reste est resté dans son vert d’origine, enregistrant efficacement «l’expérience de voyage» des bots

Cette preuve de principe de la mémoire moléculaire pourrait être étendue à l’avenir pour détecter et enregistrer la lumière et la présence de contamination radioactive, de polluants chimiques, de médicaments ou d’une maladie. Une ingénierie plus poussée de la fonction de mémoire pourrait permettre l’enregistrement de plusieurs stimuli (plus de bits d’information) ou permettre aux robots de libérer des composés ou de changer de comportement à la sensation de stimuli.

«Lorsque nous apportons plus de capacités aux bots, nous pouvons utiliser les simulations informatiques pour les concevoir avec des comportements plus complexes et la capacité d’effectuer des tâches plus élaborées», déclare Bongard «Nous pourrions potentiellement les concevoir non seulement pour signaler les conditions dans leur environnement, mais aussi pour modifier et réparer les conditions dans leur environnement.

Les matériaux biologiques que nous utilisons ont de nombreuses fonctionnalités que nous aimerions un jour implémenter dans les botsles cellules peuvent agir comme des capteurs, des moteurs pour le mouvement, des réseaux de communication et de calcul, et des appareils d’enregistrement pour stocker des informations”, déclare Levin «Une chose que les Xenobots et les futures versions de robots biologiques peuvent faire que leurs homologues en métal et en plastique ont du mal à faire est de construire leur propre plan corporel à mesure que les cellules grandissent et mûrissent, puis de se réparer et de se restaurer si elles sont endommagées. La guérison est une caractéristique naturelle des organismes vivants et elle est préservée dans la biologie de Xenobot

Les nouveaux Xenobots étaient remarquablement habiles à guérir et fermaient la majorité d’une grave lacération complète de la moitié de leur épaisseur dans les 5 minutes suivant la blessure. Tous les robots blessés ont finalement pu guérir la plaie, restaurer leur forme et continuer leur travail comme avant

Un autre avantage d’un robot biologique, dit Levin, est le métabolisme Contrairement aux robots en métal et en plastique, les cellules d’un robot biologique peuvent absorber et décomposer les produits chimiques et fonctionner comme de minuscules usines synthétisant et excrétant des produits chimiques et des protéines. L’ensemble du domaine de la biologie synthétiquequi s’est largement concentré sur la reprogrammation d’organismes unicellulaires pour produire des molécules utilespeut maintenant être exploité chez ces créatures multicellulaires

À l’instar des Xenobots d’origine, les bots améliorés peuvent survivre jusqu’à dix jours sur leurs réserves d’énergie embryonnaires et exécuter leurs tâches sans sources d’énergie supplémentaires, mais ils peuvent également continuer à pleine vitesse pendant de nombreux mois s’ils sont conservés dans une «soupe». de nutriments

Dans son exposé TED, le professeur Levin décrit le potentiel remarquable des minuscules robots biologiques pour effectuer des tâches utiles dans l’environnement ou potentiellement dans des applications thérapeutiques, mais il souligne également que l’utilisation des robots peut fournir une base pour la médecine régénérative.

Les xénobots et leurs successeurs peuvent également donner un aperçu de la façon dont les organismes multicellulaires sont nés d’anciens organismes unicellulaires et des origines du traitement de l’information, de la prise de décision et de la cognition dans les organismes biologiques.

Reconnaissant le formidable avenir de cette technologie, l’Université Tufts et l’Université du Vermont ont créé l’Institut pour les organismes conçus par ordinateur (ICDO), qui sera officiellement lancé dans les mois à venir, qui rassemblera des ressources de chaque université et de sources extérieures. pour créer des robots vivants aux capacités de plus en plus sophistiquées

Le but des chercheurs de Tufts et d’UVM n’est pas seulement d’explorer toute la gamme des robots biologiques qu’ils peuvent fabriquer; c’est aussi comprendre la relation entre le «matériel» du génome et le «software» des communications cellulaires qui entrent dans la création de tissus, d’organes et de membres organisés Ensuite, nous pouvons mieux contrôler cette morphogenèse pour la médecine régénérative et le traitement du cancer et des maladies du vieillissement

Robot, cell, biology

News – United States – The next generation of living robots is being built
Associated title :
Robots fabriqués à partir de cellules souches de grenouilles
Ils créent des robots de cellules vivantes avec leur libre arbitre et leur propre personnalité
La prochaine génération de robots vivants se construit toute seule

Source: https://gadget.co.za/next-generation-of-living-robots-builds-itself/

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