• Breaking News

    Ilmuwan Menciptakan Robot Hidup Generasi Berikutnya

     

    Tahun lalu, tim ahli biologi dan ilmuwan komputer dari Tufts University dan University of Vermont (UVM) menciptakan mesin biologis kecil yang dapat menyembuhkan diri sendiri dari sel katak yang disebut "Xenobots" yang dapat bergerak, mendorong muatan, dan bahkan memamerkan kolektif perilaku di hadapan segerombolan Xenobots lainnya. 

    Bersiaplah untuk Xenobots 2.0. 

    Tim yang sama kini telah menciptakan bentuk kehidupan yang merakit sendiri tubuh dari sel tunggal, tidak memerlukan sel otot untuk bergerak, dan bahkan mendemonstrasikan kemampuan memori yang dapat direkam. Xenobots generasi baru juga bergerak lebih cepat, menavigasi lingkungan yang berbeda, dan memiliki masa hidup yang lebih lama daripada edisi pertama, dan mereka masih memiliki kemampuan untuk bekerja sama dalam kelompok dan menyembuhkan diri sendiri jika rusak. Hasil penelitian baru dipublikasikan hari ini di Science Robotics.

    Dibandingkan dengan Xenobots 1.0, di mana robot berukuran milimeter dibuat dengan pendekatan "dari atas ke bawah" dengan penempatan jaringan secara manual dan pembedahan pembentukan kulit katak dan sel jantung untuk menghasilkan gerakan, versi Xenobots berikutnya melakukan "dari bawah ke atas" pendekatan. Para ahli biologi di Tufts mengambil sel induk dari embrio katak Afrika Xenopus laevis (oleh karena itu dinamai "Xenobots") dan memungkinkan mereka untuk berkumpul sendiri dan tumbuh menjadi spheroid, di mana beberapa sel setelah beberapa hari berdiferensiasi untuk menghasilkan silia - kecil proyeksi seperti rambut yang bergerak maju mundur atau berputar dengan cara tertentu. Alih-alih menggunakan sel jantung yang dipahat secara manual yang kontraksi ritmis alaminya memungkinkan Xenobots asli bergerak cepat, silia memberikan “kaki” bot spheroidal baru untuk menggerakkan mereka dengan cepat melintasi permukaan. Dalam seekor katak, atau manusia dalam hal ini, silia biasanya ditemukan pada permukaan mukosa, seperti di paru-paru, untuk membantu mendorong patogen dan bahan asing lainnya. Di Xenobots, mereka digunakan kembali untuk memberikan penggerak yang cepat. 

    “Kami menyaksikan plastisitas yang luar biasa dari kolektif seluler, yang membangun 'tubuh' baru yang belum sempurna yang sangat berbeda dari standar mereka - dalam hal ini, katak - meskipun memiliki genom yang sepenuhnya normal," kata Michael Levin, Profesor Biologi yang Terhormat. dan direktur Allen Discovery Center di Tufts University, dan penulis terkait studi tersebut. “Dalam embrio katak, sel bekerja sama untuk membuat kecebong. Di sini, dihapus dari konteks itu, kita melihat bahwa sel dapat menggunakan kembali perangkat keras yang dikodekan secara genetik, seperti silia, untuk fungsi baru seperti penggerak. Sungguh menakjubkan bahwa sel dapat secara spontan mengambil peran baru dan membuat rencana dan perilaku tubuh baru tanpa periode seleksi evolusioner yang lama untuk fitur tersebut. "

    “Di satu sisi, Xenobots dibuat seperti robot tradisional. Hanya kami yang menggunakan sel dan jaringan daripada komponen buatan untuk membangun bentuk dan menciptakan perilaku yang dapat diprediksi. " kata ilmuwan senior Doug Blackiston, yang menjadi penulis pertama penelitian ini bersama teknisi penelitian Emma Lederer. “Di sisi biologi, pendekatan ini membantu kami memahami bagaimana sel berkomunikasi saat mereka berinteraksi satu sama lain selama perkembangan, dan bagaimana kami dapat mengontrol interaksi tersebut dengan lebih baik.” 

    Sementara para ilmuwan Tufts menciptakan organisme fisik, para ilmuwan di UVM sibuk menjalankan simulasi komputer yang memodelkan berbagai bentuk Xenobots untuk melihat apakah mereka mungkin menunjukkan perilaku yang berbeda, baik secara individu maupun dalam kelompok. Menggunakan cluster superkomputer Deep Green di UVM's Vermont Advanced Computing Core , tim, yang dipimpin oleh ilmuwan komputer dan pakar robotika Josh Bongard dan Sam Kriegman, mensimulasikan Xenbots di bawah ratusan ribu kondisi lingkungan acak menggunakan algoritme evolusioner. Simulasi ini digunakan untuk mengidentifikasi Xenobots yang paling mampu bekerja sama dalam kawanan untuk mengumpulkan tumpukan besar puing di bidang partikel.

    “Kami tahu tugasnya, tapi itu sama sekali tidak jelas - bagi orang-orang - seperti apa desain yang sukses itu. Di situlah superkomputer masuk dan mencari ruang dari semua kawanan Xenobot yang mungkin untuk menemukan kawanan yang melakukan pekerjaan terbaik, ”kata Bongard. “Kami ingin Xenobots melakukan pekerjaan yang berguna. Saat ini kami memberi mereka tugas-tugas sederhana, tetapi pada akhirnya kami menargetkan alat hidup baru yang dapat, misalnya, membersihkan mikroplastik di laut atau kontaminan di tanah. ” 

    Ternyata, Xenobots baru jauh lebih cepat dan lebih baik dalam tugas-tugas seperti pengumpulan sampah daripada model tahun lalu, bekerja sama dalam kawanan untuk menyapu cawan petri dan mengumpulkan tumpukan partikel oksida besi yang lebih besar. Mereka juga dapat menutupi permukaan datar yang besar, atau berjalan melalui kapiler yang sempit.

    Studi ini juga menunjukkan bahwa simulasi in silico di masa depan dapat mengoptimalkan fitur tambahan bot biologis untuk perilaku yang lebih kompleks. Salah satu fitur penting yang ditambahkan dalam peningkatan Xenobot adalah kemampuan untuk merekam informasi.

    Sekarang dengan ingatan

    Fitur utama robotika adalah kemampuan untuk merekam memori dan menggunakan informasi tersebut untuk memodifikasi tindakan dan perilaku robot. Dengan pemikiran tersebut, para ilmuwan Tufts merekayasa Xenobots dengan kemampuan baca / tulis untuk merekam satu bit informasi, menggunakan protein reporter fluoresen yang disebut EosFP, yang biasanya bersinar hijau. Namun, saat terkena cahaya pada panjang gelombang 390nm, protein tersebut malah memancarkan cahaya merah. 

    Sel-sel embrio katak diinjeksi dengan messenger RNA yang mengkode protein EosFP sebelum sel induk dipotong untuk membuat Xenobots. Xenobots dewasa sekarang memiliki sakelar fluoresen built-in yang dapat merekam paparan cahaya biru sekitar 390nm.

    Para peneliti menguji fungsi memori dengan memungkinkan 10 Xenobots berenang di sekitar permukaan di mana satu tempat diterangi dengan berkas cahaya 390nm. Setelah dua jam, mereka menemukan bahwa tiga bot memancarkan cahaya merah. Sisanya tetap hijau asli mereka, secara efektif merekam "pengalaman perjalanan" dari bot.

    Bukti prinsip memori molekuler ini dapat diperpanjang di masa depan untuk mendeteksi dan merekam tidak hanya cahaya tetapi juga keberadaan kontaminasi radioaktif, polutan kimia, obat-obatan, atau kondisi penyakit. Rekayasa lebih lanjut dari fungsi memori dapat memungkinkan perekaman beberapa rangsangan (lebih banyak informasi) atau memungkinkan bot untuk melepaskan senyawa atau mengubah perilaku saat merasakan rangsangan. 

    “Saat kami menghadirkan lebih banyak kemampuan ke bot, kami dapat menggunakan simulasi komputer untuk merancangnya dengan perilaku yang lebih kompleks dan kemampuan untuk melakukan tugas yang lebih rumit,” kata Bongard. "Kami berpotensi merancangnya tidak hanya untuk melaporkan kondisi di lingkungan mereka, tetapi juga untuk memodifikasi dan memperbaiki kondisi di lingkungan mereka."

    Xenobot, sembuhkan dirimu

    “Bahan biologis yang kami gunakan memiliki banyak fitur yang suatu saat ingin kami terapkan di bot - sel dapat bertindak seperti sensor, motor untuk pergerakan, jaringan komunikasi dan komputasi, dan perangkat perekam untuk menyimpan informasi,” kata Levin. “Satu hal yang dapat dilakukan oleh Xenobots dan bot biologis versi masa depan yang mengalami kesulitan bagi rekan logam dan plastik mereka adalah membangun rancangan tubuh mereka sendiri saat sel tumbuh dan matang, dan kemudian memperbaiki dan memulihkan diri jika rusak. Penyembuhan adalah ciri alami organisme hidup, dan itu disimpan dalam biologi Xenobot. " 

    Xenobots baru sangat mahir dalam penyembuhan dan akan menutup sebagian besar laserasi yang parah setengah dari ketebalannya dalam waktu 5 menit setelah cedera. Semua bot yang terluka pada akhirnya dapat menyembuhkan luka, memulihkan bentuknya, dan melanjutkan pekerjaannya seperti sebelumnya. 

    Keuntungan lain dari robot biologis, tambah Levin, adalah metabolisme. Tidak seperti robot logam dan plastik, sel-sel dalam robot biologis dapat menyerap dan memecah bahan kimia dan bekerja seperti pabrik kecil yang mensintesis dan mengeluarkan bahan kimia dan protein. Seluruh bidang biologi sintetik - yang sebagian besar berfokus pada pemrograman ulang organisme bersel tunggal untuk menghasilkan molekul yang berguna - sekarang dapat dimanfaatkan pada makhluk multiseluler ini.

    Seperti Xenobots asli, bot yang ditingkatkan dapat bertahan hingga sepuluh hari di simpanan energi embrionik mereka dan menjalankan tugas mereka tanpa sumber energi tambahan, tetapi mereka juga dapat melanjutkan dengan kecepatan penuh selama berbulan-bulan jika disimpan dalam “sup” nutrisi. 

    Apa yang sebenarnya dicari oleh para ilmuwan

    Deskripsi yang menarik tentang bot biologis dan apa yang dapat kita pelajari darinya disajikan dalam ceramah TED oleh Michael Levin (tautan akan ditayangkan hari ini). Dalam TED Talk-nya, profesor Levin menjelaskan tidak hanya potensi luar biasa dari robot biologis kecil untuk menjalankan tugas yang berguna di lingkungan atau berpotensi dalam aplikasi terapeutik, tetapi dia juga menunjukkan manfaat paling berharga dari penelitian ini - menggunakan bot. untuk memahami bagaimana sel individu berkumpul, berkomunikasi, dan berspesialisasi untuk menciptakan organisme yang lebih besar, seperti yang mereka lakukan di alam untuk menciptakan katak atau manusia. Ini adalah sistem model baru yang dapat memberikan landasan bagi pengobatan regeneratif.

    Xenobots dan penerusnya juga dapat memberikan wawasan tentang bagaimana organisme multiseluler muncul dari organisme bersel tunggal purba, dan asal mula pemrosesan informasi, pengambilan keputusan dan kognisi dalam organisme biologis. 

    Menyadari masa depan yang luar biasa untuk teknologi ini, Tufts University dan University of Vermont telah mendirikan Institute for Computer Design Organisms (ICDO) , yang akan diluncurkan secara resmi dalam beberapa bulan mendatang, yang akan mengumpulkan sumber daya dari masing-masing universitas dan sumber luar untuk menciptakan kehidupan. robot dengan kemampuan yang semakin canggih.

    Tujuan akhir para peneliti Tufts dan UVM tidak hanya untuk mengeksplorasi lingkup penuh robot biologis yang dapat mereka buat; ini juga untuk memahami hubungan antara 'perangkat keras' genom dan 'perangkat lunak' komunikasi seluler yang berperan dalam menciptakan jaringan, organ, dan anggota tubuh yang terorganisir. Kemudian kita bisa mendapatkan kendali yang lebih besar dari morfogenesis itu untuk pengobatan regeneratif, dan pengobatan kanker dan penyakit penuaan.

    Sumber: https://now.tufts.edu/news-releases/scientists-create-next-generation-living-robots

    No comments

    Post Top Ad

    Post Bottom Ad