Algoritmo diseña robots usando células de rana
ARRIBA: Un organismo fabricado a partir de células embrionarias de ranaSAM KRIEGMAN
Las células extraídas de un embrión de rana pueden esculpirse para crear nuevas formas y llevar a cabo funciones únicas en un estructura que no es del todo organismo ni del todo máquina, informan los investigadores hoy (13 de enero) en PNAS.
Mi primera reacción a la El artículo era: Dios santo, esto es potencialmente enorme, dice Pamela Lyon a The Scientist en un correo electrónico. Lyon es un biólogo cognitivo de la Universidad de Adelaide que no participó en el estudio pero está colaborando en un proyecto diferente con Michael Levin, biólogo del desarrollo de la Universidad de Tufts y autor principal del estudio.
El Los investigadores diseñaron y construyeron los llamados xenobots que podían desplazarse por el fondo de una placa de Petri. También diseñaron estructuras que podían manipular y transportar otros objetos. Cuando varios diseños se alojaron juntos, comenzaron a exhibir comportamientos colectivos, como orbitar entre sí o unirse temporalmente.
Esto es solo la punta del iceberg, dice Levin. El objetivo de esto no es hacer robots de células de rana. Al final, el objetivo de esto es comprender las grandes preguntas sobre la relación entre los genomas y la anatomía y avanzar en la medicina regenerativa, la robótica y la IA
La robótica evolutiva es una nueva estrategia que utilizan algunos científicos. para sondear preguntas sobre la función de los sistemas biológicos y otros usos para diseñar y probar las capacidades de posibles estructuras robóticas. Josh Bongard, coautor y científico informático que estudia robótica evolutiva en la Universidad de Vermont, y su equipo comenzaron a trabajar con Levin con una subvención compartida de DARPA. A medida que se familiarizaron con el trabajo de los demás, Bongard compartió varios de los diseños de robots simples basados en células que su algoritmo había creado con Levin y su equipo.
Los diseños de Bongard eran solo teóricos, pero para Para su sorpresa, un experto en microcirugía y científico del personal del laboratorio de Levins, Douglas Blackiston, tomó uno de los planos y lo construyó utilizando células de embriones de rana.
Hasta entonces, dice Bongard, no nos habíamos dado cuenta de que fueron capaces de tomar planos diseñados por computadora y construir un diseño en la realidad. Eso realmente cambió el enfoque del proyecto.
La pregunta se convirtió en células que normalmente construirían una rana, ¿qué más podrían construir? dice Levin.
Un xenobot desarrollado a partir de células de rana y diseñado por inteligencia artificial se mueve a través de una superficie.sam kriegman
El equipo de Bongard desarrolló un algoritmo evolutivo. Su trabajo era determinar qué forma deberían tomar las células cardíacas y de la piel de la rana para moverse por el fondo de una placa de Petri.
La idea aquí es como si tuviera un montón de gente que estaba remando pero todos reman a su propia frecuencia, dice Bongard. ¿Podrías diseñar la forma de un bote y poner personas en el bote para que el bote se mueva en una dirección recta?
Primero, el programa genera un montón de formas aleatorias formadas por los dos bloques de construcción, las células del corazón de el embrión de rana que se contrae y las células de la piel del embrión que permanecen pasivas. Luego realiza su propia versión de la selección natural. Comienza probando los diseños en simulaciones para ver cuáles son mejores para completar la tarea deseada. Los formularios ineficaces se eliminan. Los diseños más eficientes se someten a más simulaciones en diferentes entornos, lo que permite que el algoritmo seleccione las versiones más robustas, aquellas que pueden mantener la función deseada en varios entornos y resistir el ruido aleatorio.
Luego, el equipo de Levins extrae células de los embriones de rana. , les permite crecer en una pila y finalmente los talla en la forma establecida por el algoritmo, como un escultor que construye una estatua, excepto que esta estatua está hecha de células vivas en lugar de piedra.
Levin imagina que en el futuro , tales estructuras podrían usarse para construir máquinas que podrían repararse a sí mismas, como lo hace el tejido cuando está dañado. Las máquinas podrían recolectar microplásticos en el océano sin agregar su propia contaminación a medida que se degradan en el agua salada, mejorar la administración de medicamentos o crear tratamientos completamente nuevos para enfermedades.
Además de estas aplicaciones prácticas, dice Levin, el desarrollo los biólogos estarán interesados en lo que estas estructuras pueden enseñarnos sobre cómo se organizan las células.
Aún así, el trabajo está en sus primeras etapas. David Ackley, científico informático de la Universidad de Nuevo México que no participó en el estudio, dice que esta es una maravillosa prueba de concepto que demuestra cómo la evolución artificial de los robots matemáticos blandos puede guiar los diseños de sistemas biológicos funcionales.
S. Kriegman et al., Una canalización escalable para diseñar organismos reconfigurables, PNAS, doi:10.1073/pnas .1910837117, 2020.
Emma Yasinski es una reportera independiente que vive en Florida. Síguela en Twitter @EmmaYas24.
Nota del editor (14 de enero): el gif se agregó al artículo más tarde.