Visitors hit counter, stats, email report, location on a map, SEO for Joomla, Wordpress, Drupal, Magento and Prestashop

Svet mehatronike

Zgrajeni prvi živi roboti

logo

Čeprav je knjiga narejena iz lesa, ni drevo. Celice drevesa smo le uporabili za drug namen.

Ekipa znanstvenikov, pa je na podoben način uporabila celice žabjih embrijev in iz njih zgradila popolnoma drugačne organizme. Organizmi so široki en milimeter in se imenujejo 'Xenoboti'. Sposobni so se premikati, se obnavljati ob poškodbi in prenašati manjši tovor, kot na primer doza zdravila za dostavo na posebno mesto v pacientu.

»To so prvi živeči stroji«, je dejal Joshua Bongard, računalniški znanstvenik in strokovnjak za robotiko iz univerze v Vermontu. »Ne spadajo niti med tradicionalne robote, niti v nobeno živalsko vrsto. To so živeči programirljivi organizmi.«

Nova bitja so zasnovali na superračunalniku univerze v Vermontu, ustvarili pa so jih biologi na univerzi Tufts. »V mislih imamo že več potencialno koristnih aplikacij za te žive robotke, ki jih druge naprave ne morejo izvesti, kot je iskanje škodljivih zmesi, radioaktivnega onesnaženja, odstranjevanje mikroplastik iz oceanov in čiščenje arterijskih oblog« pravi eden od vodij projekta, Michael Levin iz centra za regenerativno in razvojno biologijo.

Ugotovitve raziskave so raziskovalci objavili 13. Januarja v zborniku Proceedings of the National Academy of Sciences.

Organizmi po naročilu
Ljudje živa bitja prilagajamo svojim potrebam že vsaj od neolitske poljedelske revolucije, genetsko spreminjanje organizmov postaja vse bolj prisotno in v zadnjih letih je znanstvenikom uspelo sestaviti že nekaj enostavnejših obstoječih organizmov, iz njihovih gradnikov, nikoli poprej pa organizmi niso bili osnovani s simulacijami in potem zgrajeni v funkcionalne celote.

Ekipa je s pomočjo evolucijskega algoritma, ki se je na superračunalniku procesiral več mesecev, razvila tisoče kandidatov za izgradnjo novih Xenobotov. Evolucijski algoritem je deloval tako, da je simuliral različne oblike organizmov, ki bi jih bilo mogoče sestaviti iz celic, ki so jih znanstveniki nameravali uporabiti za izgradnjo. V naslednjem koraku je računalnik pognal simulacijo, ki je upoštevala osnovne zakone fizike in biologije, ki veljajo za dane celice. Na koncu je obdržal le oblike organizma, ki so se v simulaciji v določeni kategoriji najbolje odrezala, jih rahlo spremenil, in simulacijo zagnal ponovno, podobno kot deluje evolucija na generacije običajnih zivih bitij.

Po zaključeni simulacijski fazi, je ekipa biologov prenesla digitalni načrt v resničnost. Najprej so zbrali zarodne celice žab vrste Xenopus laevis, (od tod tudi ime Xenoboti), celice so osamili in jih inkubirali. Po inkubaciji so s pomočjo mikro pincete in elektrod, celice sestavili v konfiguracijo, ki jo je predlagal računalnik.

Pasivne kožne celice so uporabili kot ogrodje, aktivne srčno mišične celice pa so s svojem krčenjem poskrbele za premikanje xenobota. Ta bitja so izkazala zmožnost smiselnega gibanja in raziskovanja svoje okolice od nekaj dni, do tednov, odvisno od zalog energije, s katerimi so bile ustvarjene. Če pa so se prekucnile na 'hrbet', pa so podobno kot nekateri hrošči ostale v tej poziciji, brez možnosti rešitve.

Kasnejši eksperimenti so pokazali, da lahko skupina takšnih organizmov spontano potiska tovor v krožnem gibanju do neke centralne pozicije. Ustvarili so tudi različice xenobotov, ki imajo vzdolž telesa luknjo, za zmanjšan upor pri premikanju, ki so jo kasneje uporabili kot tovorni prostor za transport želenega tovora ustrezne velikosti. »To je korak proti uporabi računalniško načrtovanih bitij, za dostavo zdravil na tarčno mesto,« je povedal prof. Bongard, profesor za računalniško znanost in kompleksne sisteme.

Živeča tehnologija
Večina sodobne tehnologije je izdelana iz kovin, plastike in betona, lahko so izdelane trdno, ali fleksibilno. Pogosto pa predstavljajo ekološke in zdravstvene probleme, posebno, ko zastarajo. Strupeni materiali zastrupljajo okolje, plastike pa se nabirajo v oceanih. Xenoboti so sicer zelo krhki in ne trajajo dolgo, a se razgradijo v popolnoma neškodljive biološke gradnike. Po nekaj tednih, ko opravijo svojo nalogo, so le še skupek mrtvih kožnih celic.

Prenosni računalniki so zelo napredna tehnologija, a ne delujejo prav dobro, če jih prerežemo na pol. Prav to so raziskovalci naredili xenobotom in opazovali, kaj se zgodi. »Xenobota smo praktično razpolovili, ta pa se je sešil nazaj v prvotno obliko in nadaljeval brez težav, česar stroji, ki smo jih vajeni niso zmožni,« je še dejal dr. Bongard.

Razvozlavanje šifre
Profesorja Levin in Bongard sta prepričana, da nam raziskave na tem novem področju povejo veliko o načinu komunikacije med celicami in nam ponuja globok vpogled v računalniško znanost in naše razumevanje življenja. »Eno največjih vprašanj sodobne biologije je kakšni so algoritmi ki določajo obliko in funkcijo celic organizmov,« pravi Levin. »Vemo, da genom kodira proteine, ti pa določajo tip celice, ne poznamo pa mehanizmov, ki bližnjim celicam omogočajo sodelovanje k gradnji različnih funkcionalnih anatomij, kot s kompleksni organi pod različnimi pogoji.«

Za razvoj funkcionalnih organizmov, je potrebno sodelovanje in komunikacija med različnimi deli organizma, in se ne odvija le preko nevronov. Funkcionalne geometrije organskih sistemov, so osnovane preko bioelektričnih, biokemičnih in biomehanskih procesov. Te procese določa koda znotraj DNK, če bi vedeli dovolj o mehanizmih, ki te procese izvajajo, bi jih lahko tudi spremenili za oblikovanje novih živih bitij.

Dr. Levin sprašuje: »Kaj določa anatomijo, za izgradnjo katere celice sodelujejo? Če pogledamo celice naših Xenobotov, vidimo, da imajo 100% žabji DNK, a to definitivno niso žabe. Sprašujemo se, kaj so te celice še sposobne zgraditi? V raziskavi smo prikazali, da so te celice zmožne zgraditi popolnoma drugačne oblike živih bitij, kot so zapisane v genomu.« Ekipa, ki se je ukvarjala z razvojem xenobotov vrtjame, da je njihov razvoj en korak proti razvozlavnju 'morfogenetske šifre', ki določa povezavo med gensko kodo in končno zgradbo bitja. Takšne raziskave bodo omogočile globlji vpogled v načine na katere so živa bitja zgrajena in kako shranjujejo in obdelujejo informacije o svojih zgodovinah in okolju.

Nekatere ljudi skrbijo morebitne posledice hitrega tehnološkega napredka in kompleksnih bioloških manipulacij. »Tak strah ni brez osnove,« pravi Levin. »Ko se igramo s kompleksnimi sistemi, ki jih še ne razumemo, bomo naleteli na nepričakovane posledice.« Mnogo kompleksnih sistemov, kot so mravljišča, se začne z osnovnim gradnikom, v tem primeru mravljo, iz katere je nemogoče predvideti obnašanje in zgradbo celotne kolonije in kako so sposobne graditi mostove preko vode s prepletanjem teles.

»Mislim, da je za napredek družbe ključnega pomena, da razumemo pravila na višjem nivoju, katerih posledice so zelo kompleksne. Prvi korak k razumevanju je raziskovanje postopkov, ki vodijo do določenega vedenja, in kako spremenimo gradnike, da dosežemo obnašanje, ki ustreza nam.« Je še dodal Levin. »Ta študija je poskus nadzora nad nepredvidljivimi posledicami eksperimenta z nerazumljenimi sistemi, ki se jih nekateri bojijo.«

»V živih sistemih je veliko kreativnosti,« pravi dr. Bongard. »Mi jih želimo bolje razumeti, in ugotoviti kako jih lahko usmerimo v nove oblike.«

Povzeto po:
https://www.uvm.edu/uvmnews/news/team-builds-first-living-robots

https://www.uvm.edu

Celotna PDF revija brezplačno!

WEB seminarji

Sejmi in vabila

Sejmi tujina_EU