V lednu loňského roku představili američtí vědci z Tufts University a University of Vermont světu miniaturní živé roboty. Tým pod vedením biologa Michaela Levina a robotika Joshuy Bongarda je sestavil v laboratoři z buněk embryí africké žáby drápatky vodní. Vědci nejprve naplánovali, co by měli roboti umět. Následně nechali v počítači proběhnout virtuální evoluci, kterou by shluky žabích buněk získaly kýžené schopnosti. Na základě výsledků simulované evoluce počítač nakreslil „plán“ a vědci podle něj pospojovali buňky z embryí drápatky vodní do milimetrových funkčních celků.
Vznikli živí roboti, pro něž se ujalo označení xenobot odvozené z latinského jména africké žáby Xenopus laevis. Xenoboty první generace poháněly pulsující buňky srdečního svalu žabího embrya. Jako opěrná kostra jim posloužily embryonální buňky kůže.
Živí roboti se přesouvali z místa na místo. Při poškození spontánně regenerovali. Nyní přichází Levinův a Bongardův tým s druhou generací xenobotů, která je hbitější, přežívá po delší dobu, nezištně spolupracuje, a navíc ukládá do paměti zkušenosti. Xenoboty 2.0 představili vědci ve studii publikované vědeckým časopisem Science Robotics.
Xenoboti druhé generace
Zatímco xenoboty první generace vědci pracně vytvářeli v laboratoři podle předem připraveného plánu, xenoboti druhé generace vznikali do značné míry spontánně. Vědci odebrali z raného embrya drápatky kmenové buňky a ty pak kultivovali v laboratorních podmínkách. Plochý terčík buněk se zformoval do kulovitého útvaru a na povrchu některých buněk narostly kmitající řasinky.
Ty slouží žábě například k odstranění nejrůznějších nečistot z dýchacích cest. Kulovitý xenobot získává s řasinkami schopnost pohybu. Odráží se jimi od podkladu jako tenkými nožkami.
Robotizace ohrožuje po světě až 800 milionů pracovních míst, ukázala studie |
Xenoboti nejsou úplně stejní. Liší se tvarem „těla“, rozmístěním řasinek a následně i spektrem vykonávaných pohybů. Někteří pobíhají sem a tam, jiní se točí na místě, další putují po zakřivených drahách. Protáhnou se i úzkou kapilárou.
„Jsme svědky úžasné plasticity buněk. Jejich dědičná informace se nijak nezměnila, a přesto vybudovaly nová ‚těla‘, která se v ničem nepodobají tomu, pro co byly buňky původně určeny - tedy k vytvoření žáby,“ říká Michael Levin.
V žabím embryu spolupracují kmenové buňky na tom, aby vytvořily pulce. „Když je ale vyjmeme z jejich přirozeného prostředí v embryu, použijí tyto buňky svůj naprogramovaný ‚hardware‘, jako jsou třeba řasinky, pro úplně nový účel, jako je pohyb,“ vysvětluje biolog. „Buňky se spontánně ujímají nových rolí, tvoří nová těla a mění chování bez toho, že by se k těmto změnám musely dopracovat zdlouhavou evolucí.“
Informatici pod vedením Joshuy Bongarda mezitím pomocí superpočítače Deep Green modelovali chování různě tvarovaných xenobotů a vybírali z nich takové, které se ve virtuální realitě nejsnáze shluknou do rojů a společným úsilím pak shrnou rozptýlenou drť na hromádky.
Modrá paměť
„Věděli jsme, jaký mají xenoboti plnit úkol, ale nám lidem nebylo jasné, jak by měl vypadat design úspěšného xenobota. A tady nám pomohl superpočítač, když prověřil všechny možné tvary xenobotů a našel takové, které budou v rojích nejlépe plnit úkoly,“ přibližuje práci výzkumného týmu Bongard. „Budeme chtít, aby xenoboti odváděli užitečnou práci. Momentálně jim zadáváme jednoduché úkoly, ale do budoucna by nám mohli sloužit jako zcela nový typ nástrojů např. k čištění oceánů nebo půdy od mikroplastů.“
Při testech v laboratoři se potvrdilo, že xenoboti vytipovaní na základě výsledků virtuální evoluce jsou skutečně výkonnější. Jejich roje pokryjí pohybem větší část nabízené plochy a shrnou z ní větší množství rozptýlených nečistot. Počítačové simulace naznačují, že xenoboty lze uzpůsobit k vykonávání mnohem složitějších pohybů.
Xenoboti 2.0 učinili první krůček k tomu, aby živí roboti jednou získávali informace, ukládali je do paměti a reagovali na ně adekvátními změnami chování. Levin a jeho spolupracovníci vybavili xenoboty 2.0 schopností registrovat velmi jednoduchou informaci typu „ano-ne“. Vnesli do buněk instrukci pro tvorbu fluoreskujícího proteinu EosFP.
Umělá inteligence pro váš byznys: co dělat, aby vás roboti nepřipravily o práci? |
Ten vydává zelené světlo, ale po ozáření modrým světlem mění barvu na červenou. Xenoboti narostlí z těchto embryí tak získali schopnost zkušenost s modrým světlem demonstrovat.
Při ověřovacím testu se desítka xenobotů volně pohybovala prostorem, kde v jednom místě svítilo intenzivní modré světlo. Po hodině zářili tři živí roboti červeně a dávali tak najevo, že si střet se zdrojem světla „zapamatovali“.
Výživná polévka
V jiném pokusu demonstrovali xenoboti svou regenerační schopnost, když se jim během pěti minut zacelila rána zející přes polovinu „těla“. Velkou výhodu živých robotů oproti jejich kovovým nebo plastovým protějškům představuje metabolismus. Vstřebávají živiny z okolí a z nich pak získávají energii nebo je využijí jako surovinu pro syntézu nových látek.
Xenoboti 2.0 vydrží pracovat v laboratorních podmínkách deset dní z rezerv, které si jejich buňky přinesly z žabího embrya. Pokud se pohybují v „polévce“ z živin, odvádí plný výkon po dlouhé měsíce. Mohlo by se to hodit budoucím verzím živých robotů při plnění komplikovaných úkolů.
