Роботы, созданные из живых клеток
Представьте себе маленького робота, у которого нет металлического корпуса, электронного двигателя, батареи и обычного компьютерного чипа. Он может быть едва заметен под микроскопом, но при этом способен передвигаться, ориентироваться в окружающей среде, восстанавливать собственное тело после повреждения и при определённых условиях даже участвовать в создании новых организмов, похожих на него самого.
Это не сцена из научно-фантастического фильма. Подобные эксперименты уже проводились.
Их назвали Xenobots — микроскопическими биологическими машинами, созданными из живых клеток африканской шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Название происходит от слова «Xeno», связанного с Xenopus, и «bot» — от слова «robot».
История Xenobots особенно интересна потому, что здесь пересекаются три области, которые раньше казались довольно далёкими друг от друга, — искусственный интеллект, робототехника и живая биологическая ткань. А самое необычное заключается в том, что учёные обнаружили способность живых клеток демонстрировать поведение, которое обычно не проявляется в ходе естественного развития их исходного организма — лягушки.
Всё началось с клеток лягушки
В 2020 году учёные из Университета Вермонта, Университета Тафтса и других исследовательских центров представили эксперимент, который помог превратить идею «живых роботов» в реальное научное направление.
Исследователи использовали клетки, полученные из эмбрионов Xenopus laevis, и создали из них новый тип микроскопических организмов. Важно отметить, что для создания первых Xenobots учёным не пришлось генетически конструировать совершенно новый организм. Вместо этого они организовали уже существующие живые клетки в новую структуру и наблюдали за поведением этого клеточного объединения.
Это сильно отличается от традиционной робототехники. Обычно люди проектируют робота от начала до конца: определяют его форму, материалы, двигатель, источник энергии, датчики и программное обеспечение. В случае с Xenobots самим «строительным материалом» являются живые клетки.
Задача учёных была больше похожа на вопрос: если правильно соединить определённые типы клеток, что ещё они смогут делать? Именно этот вопрос открыл совершенно новое направление исследований.
Робот, у которого вместо металла живые клетки
Самое важное отличие Xenobot от обычного робота заключается в материале, из которого он создан.
Xenobots являются биологическими структурами, а не механическими устройствами. В первых экспериментах учёные использовали клетки кожи и сердечной мышцы лягушки. В более поздних версиях также создавались самоорганизующиеся структуры из стволовых клеток.
Эти клетки не просто случайно собираются в одну массу. Они организуются в соответствии с определёнными биологическими правилами и в результате формируют небольшую функциональную биологическую структуру.
Особенно интересно то, что учёным не пришлось устанавливать внутрь организма какой-либо миниатюрный двигатель или механический механизм. В движении Xenobots важную роль играют реснички — микроскопические структуры, напоминающие маленькие волоски и расположенные на поверхности клеток. Именно они в более поздних поколениях Xenobots обеспечивали движение организмов.
Другими словами, у этого робота нет обычного двигателя, но он способен двигаться. У него нет батареи, но он получает энергию от живых клеток. И ему не нужен металлический каркас, потому что его «корпусом» является сама биологическая ткань.
Кто спроектировал форму Xenobot?
Здесь история становится ещё интереснее.
Если бы учёные попытались вручную проверить все возможные формы, это было бы практически невозможно. Поэтому в проекте начали использовать искусственный интеллект и эволюционные алгоритмы.
Компьютерная программа проверяла различные возможные формы в симуляциях и оценивала, какие структуры могут оказаться наиболее эффективными для выполнения конкретной задачи.
Это означает, что в определённом смысле люди не создавали непосредственно окончательную форму робота. Вместо этого они создали условия, в которых компьютер мог искать эффективную конструкцию.
В исследовании 2020 года компьютерный дизайн позволил оценить огромное количество возможных структур, после чего исследователи перенесли наиболее перспективные варианты в реальные биологические клетки.
Это совершенно иной подход по сравнению с традиционной робототехникой. Обычный инженер может сказать: «Я знаю, как должна выглядеть машина, поэтому я её построю».
В случае с Xenobots подход скорее такой: «Давайте поставим перед компьютером задачу и посмотрим, какая форма окажется наиболее эффективной».
Они умеют двигаться
Одной из первых важных способностей Xenobots стало движение.
Исследования показали, что они могут перемещаться в различных средах и менять направление. Учёные испытывали их в пространствах разного размера и формы, включая узкие каналы и микроскопические проходы.
Это важно потому, что при создании обычного микроробота механизм его движения необходимо заранее тщательно рассчитывать. В случае с Xenobots движение возникает непосредственно благодаря их биологической структуре.
Некоторые Xenobots перемещаются относительно прямо, другие двигаются по круговым или изогнутым траекториям. Форма окружающей среды также может влиять на их поведение, и исследователи описали несколько различных типов движения Xenobots.
На первый взгляд это может показаться простой способностью, однако движение на микроскопическом уровне является одной из сложных инженерных задач.
Именно поэтому создание организма из живых клеток, способного самостоятельно перемещаться, уже само по себе стало важным достижением.
Самая необычная способность — восстановление после повреждения
Ещё одно удивительное свойство Xenobots — способность к самовосстановлению.
В ходе экспериментов исследователи механически повреждали некоторых Xenobots, а затем наблюдали за тем, что происходило дальше.
Результат оказался необычным: повреждённые организмы смогли закрыть повреждение и восстановить свою структуру. Исследования показали, что значительная часть повреждения могла закрываться довольно быстро, после чего организм продолжал восстанавливать свою форму.
Здесь возникает очень интересное отличие от обычного робота. Если у металлического микроробота отломится часть корпуса, он не сможет самостоятельно её восстановить. Если сгорит электронный компонент, робот не сможет его самостоятельно заменить.
Xenobot устроен иначе, потому что состоит из живых клеток. Поэтому самовосстановление является не дополнительной механической функцией, установленной инженерами, а естественным свойством живой ткани.
Xenobots получили даже подобие «памяти»
В 2021 году учёные ещё больше расширили возможности Xenobots.
Исследователи использовали специальный фотоконвертируемый белок, способный реагировать на определённую длину волны света. Благодаря этому Xenobot мог сохранять небольшой объём информации об окружающей среде — фактически один бит информации.
Во время эксперимента Xenobots перемещались в среде, где определённая область освещалась светом определённой длины волны. Затем учёные исследовали организмы и обнаружили, что в некоторых случаях воздействие света было биологически зафиксировано.
Это не означает, что у Xenobot есть память, похожая на человеческую. Он не способен размышлять о прошлом опыте или понимать, что с ним произошло.
Однако эксперимент продемонстрировал принципиально важную вещь: в микроскопической системе, созданной из живых клеток, можно создать механизм, который записывает и впоследствии позволяет обнаружить информацию об окружающей среде.
Затем учёные обнаружили нечто ещё более странное
В 2021 году история Xenobots, пожалуй, вступила в самый удивительный этап.
Исследователи обнаружили, что при определённых условиях эти организмы способны участвовать в форме самовоспроизведения, которая отличается от привычных способов размножения животных. Это явление получило название kinematic self-replication, или кинематическое самовоспроизведение.
Обычно живой организм размножается, растёт и делится, производит яйца или потомство либо использует другой известный биологический механизм. В случае с Xenobots процесс происходил иначе.
В описанном исследователями эксперименте Xenobots определённой формы перемещались в окружающей среде и собирали отдельные стволовые клетки лягушки. Затем они объединяли эти клетки, и из получившегося скопления могла сформироваться новая небольшая структура, способная двигаться.
Иными словами, родительский Xenobot не просто «рождал» нового Xenobot. Он собирал необходимые клетки из окружающей среды и способствовал формированию из них новой структуры.
Этот механизм оказался настолько необычным, что исследователи назвали его новым типом биологического самовоспроизведения.
Здесь снова появился искусственный интеллект
Самое интересное заключается в том, что исследователи использовали искусственный интеллект не только для создания первоначальных форм Xenobots, но и для поиска способов повысить эффективность их самовоспроизведения.
Компьютерный алгоритм оценивал различные формы в симуляциях и искал структуры, которые могли бы эффективнее собирать клетки и способствовать формированию новых организмов. Исследователи изучили различные геометрические формы и в итоге уделили особое внимание структуре в форме буквы C.
Именно эта форма стала причиной известного сравнения с «Pac-Man» — маленьким организмом, который словно собирал клетки своим «ртом», а затем использовал их для создания новой структуры.
Но здесь необходимо сделать важное уточнение.
Это не означает, что Xenobots способны бесконтрольно размножаться. Описанный в исследовании процесс происходил в строго контролируемых лабораторных условиях, а способность к длительному непрерывному самовоспроизведению была нестабильной. Сами исследователи отмечали, что поддерживать непрерывную репликацию было сложно.
Поэтому популярное представление о «роботах, которые размножаются бесконечно», значительно преувеличивает реальные результаты экспериментов.
Это живое существо или робот?
Появление Xenobots поставило перед учёными довольно сложный вопрос: что это вообще такое?
Это не обычные животные. Но и традиционными роботами их назвать нельзя.
У них нет мозга, пищеварительной системы или нервной системы, сравнимой с системами человека или других сложных животных. В то же время они способны перемещаться, взаимодействовать с окружающей средой и при определённых условиях демонстрировать организованное поведение.
Поэтому в научной литературе их часто называют living robots, то есть «живыми роботами», или biological robots — «биологическими роботами».
Термин может звучать необычно, но идея довольно проста: роботоподобная функция достигается не с помощью механических деталей, а благодаря системе, созданной из живых клеток.
Это расширяет традиционное представление о робототехнике. Если робот обязательно должен быть сделан из металла, то Xenobots роботами не являются. Но если под роботом понимать систему, способную выполнять определённую целевую функцию, то называть Xenobots разновидностью роботов уже вполне логично.
Для чего может пригодиться такая технология?
На данном этапе Xenobots являются прежде всего исследовательской платформой, а не медицинским или коммерческим продуктом. Однако учёные особенно заинтересованы в нескольких возможных направлениях.
Одно из них — медицина.
Теоретически биологические микромашины в будущем могут использоваться внутри человеческого организма для выполнения задач, которые необходимо осуществлять на чрезвычайно малом уровне.
Например, учёные исследуют возможность использования подобных биологических систем для транспортировки определённых веществ, взаимодействия с повреждёнными тканями или выполнения других микроскопических задач.
Однако эти возможности пока остаются предметом исследований и не должны восприниматься как уже существующие медицинские технологии.
На данном этапе реальное значение Xenobots заключается в том, что они показывают, на что способны живые клетки, если организовать их в искусственно спроектированную систему.
Очистка окружающей среды — ещё одно возможное направление
Идея биологических роботов касается не только медицины. Теоретически в будущем могут быть созданы микроскопические живые системы, способные собирать определённые вещества или выполнять конкретные задачи в окружающей среде.
Одним из потенциальных преимуществ может стать их биоразлагаемость.
После использования обычного микроробота в окружающей среде могут остаться механические или электронные отходы. Систему, созданную из живых клеток, в принципе можно было бы спроектировать так, чтобы после потери жизнеспособности она естественным образом разлагалась.
Но пока это остаётся в основном концепцией, находящейся на стадии исследований.
Для того чтобы использовать системы, похожие на Xenobots, в реальной окружающей среде, учёным придётся решить множество проблем, связанных с контролем, безопасностью, стабильностью, взаимодействием с окружающей средой и биологическими рисками.
Главная проблема — контроль
Когда речь идёт о живой системе, задача для инженеров становится гораздо сложнее.
Обычного робота можно выключить нажатием кнопки. Если его программа работает неправильно, программное обеспечение можно изменить. Если двигатель вышел из строя, его можно заменить.
С живыми клетками всё иначе.
Клетки являются частью биологической системы, и их поведение зависит от окружающей среды. Поэтому одним из главных вопросов будущей биоробототехники будет не только «Что эти системы могут делать?», но и «Насколько точно мы можем ими управлять?»
Именно здесь проходит граница между интересным научным экспериментом и практической технологией.
Что произойдёт, если такие системы станут сложнее?
Возможности современных Xenobots всё ещё довольно ограничены. Но исследования указывают на направление, которое в будущем может стать гораздо более интересным.
Если учёным удастся создавать более сложные структуры из живых клеток, такие системы потенциально смогут сочетать движение, восприятие окружающей среды, обработку информации, самовосстановление и другие функции.
Здесь возникает уже более серьёзный вопрос: где заканчивается биология и начинается технология?
Если компьютер создаёт форму организма, а учёные собирают эту форму из живых клеток, кто является его «создателем» — человек, алгоритм или сами клетки?
Это не просто философский вопрос. Исследования Xenobots уже вызвали дискуссии о том, насколько сложным может стать поведение очень простых биологических систем и по каким критериям следует оценивать их возможные когнитивные способности.
Искусственный интеллект здесь уже не просто вспомогательный инструмент
Один из самых интересных аспектов истории Xenobots заключается в том, что искусственный интеллект используется здесь не просто для обработки текста, изображений или данных.
AI участвует в поиске новых биологических форм.
Это часть более широкой тенденции развития технологий.
Люди традиционно создавали различные конструкции на основе опыта, знаний и интуиции. Но когда количество возможных вариантов становится настолько огромным, что человек физически не способен проверить их все, компьютерный алгоритм может превратиться в своеобразного исследователя-конструктора.
В случае с Xenobots это означает, что компьютер может найти форму, о которой инженер-человек, возможно, никогда бы не подумал.
А затем начинается самый интересный этап: предложенная компьютером конструкция проверяется на настоящих живых клетках.
Это одно из самых необычных пересечений искусственного интеллекта и биологии.
Возможно, это станет совершенно новым направлением робототехники
История робототехники долгое время была почти полностью связана с твёрдыми материалами.
Металл, пластик, кремний, электроника, провода и микрочипы использовались для создания машин, которые люди программировали и контролировали.
Xenobots предлагают другой путь.
Возможно, не каждый робот будущего будет механическим. Возможно, для некоторых задач более эффективной окажется машина, созданная из живого материала, способная самостоятельно восстанавливаться, адаптироваться к окружающей среде и после потери жизнеспособности разлагаться.
Эта идея по-прежнему связана с множеством вопросов, на которые пока нет ответа. Но именно это и делает науку такой интересной: иногда самым важным результатом открытия становится не окончательный ответ, а появление новых вопросов.
Что не следует преувеличивать в рассказах о Xenobots
В интернете возможности Xenobots иногда описываются слишком драматично.
Они не являются миниатюрными людьми. У них нет сознания, человеческого интеллекта или способности мыслить. Они не перемещаются внутри человеческого организма так, как нанороботы в научно-фантастических фильмах, и не являются саморазвивающимися машинами, которые могут покинуть лабораторию и самостоятельно захватить мир.
Настоящая наука гораздо интереснее, но одновременно и гораздо осторожнее.
Xenobots — это экспериментальные биологические системы, которые показали, что живые клетки можно организовать совершенно новым способом и получить из них функциональные структуры, которые в такой форме не встречаются в обычных живых организмах.
Возможно, главное открытие — вовсе не сам «робот»
Главное значение Xenobots может заключаться не просто в том, что учёные создали маленьких живых роботов.
Гораздо важнее может быть то, что эти эксперименты показали о потенциале живых клеток.
В клетке может скрываться гораздо больше возможностей, чем та функция, которую она обычно выполняет внутри организма.
Клетка лягушки является частью тела лягушки. Но когда учёные изменили окружающую среду, форму и условия организации этих клеток, их коллективное поведение привело к совершенно другой структуре.
Это касается одной из самых интересных загадок биологии: насколько велико пространство возможностей, уже заложенное в живых клетках, но обычно не проявляющееся в естественных условиях?
Xenobots дают возможность экспериментально исследовать этот вопрос.
Будущее может быть связано не с искусственной жизнью, а с проектируемой жизнью
Люди давно пытаются создать искусственную жизнь.
До сих пор эта идея в основном была связана с компьютерными симуляциями, роботами и синтетической биологией.
Xenobots предлагают другой подход.
Учёные не создают жизнь с нуля. Они берут уже существующие живые клетки и организуют их в структуру, которая в таком виде естественным образом не существует.
Поэтому Xenobots можно рассматривать как один из ранних примеров того, что в будущем может получить название designed living systems, то есть «спроектированные живые системы».
Современные научные обзоры также рассматривают развитие Xenobots в контексте пересечения искусственного интеллекта, машинного обучения и синтетической биологии.
Заключение: робот, который живёт
История Xenobots показывает, что технологии не всегда означают больше металла, более мощный процессор или ещё меньший микрочип.
Иногда технология будущего может вообще не походить на то, что сегодня мы называем «технологией».
Небольшая биологическая структура, созданная из клеток лягушки, способна перемещаться, взаимодействовать с окружающей средой, восстанавливаться после повреждения, сохранять определённую информацию и при особых условиях участвовать в создании новых подобных структур.
Мы всё ещё очень далеки от мира, в котором такие биороботы смогут самостоятельно проводить медицинские процедуры внутри человеческого организма или очищать загрязнённую окружающую среду. Но Xenobots уже продемонстрировали одну важную вещь: живые клетки могут стать материалом для инженерии.
И если искусственный интеллект будет всё лучше учиться проектировать подобные системы, то в будущем одна из самых интересных областей робототехники может быть создана не из металла, а из живой материи.
Именно поэтому Xenobots — это не просто маленькие странные «роботы».
Они могут стать первым шагом к технологии, в которой человек будет не только создавать машины, но и начнёт проектировать живые системы.
Если статья была для вас интересной, поделитесь ею с друзьями и оставьте комментарий.
