Ce robot est-il vivant ? Il peut s’auto-assembler et a une mémoire enregistrable

Les chercheurs ont apporté une mise à niveau significative aux robots biologiques qu’ils ont créés l’année dernière, au point qu’ils peuvent désormais auto-assembler un corps à partir de cellules individuelles et démontrer d’autres propriétés inédites.

Une équipe de l’Université Tufts et de l’Université du Vermont a créé ce qu’elle a présenté comme le premier « robot vivant » à partir de cellules de grenouille. Les minuscules machines biologiques auto-guérissantes pouvaient se déplacer, pousser une charge utile et même adopter un comportement d’essaim en présence d’autres robots – que les scientifiques appellent « Xenobots » – et représentaient une percée dans le développement de machines programmables mais vivantes. .

Maintenant, l’équipe a ajouté de nouvelles fonctionnalités à l’arsenal des robots vivants avec Xenobots 2.0. La prochaine génération de robots peut se déplacer sans cellules musculaires et dispose d’une mémoire enregistrable, ont déclaré les chercheurs. Les machines nouvelles et améliorées peuvent également se déplacer plus rapidement, naviguer dans différents environnements et « vivre » plus longtemps que leurs incarnations précédentes tout en étant capables de travailler ensemble en groupe et de s’auto-guérir.

« Nous assistons à la remarquable plasticité des collectifs cellulaires, qui construisent un nouveau « corps » rudimentaire qui est tout à fait distinct de leur défaut – dans ce cas, une grenouille – malgré un génome tout à fait normal », Michael Levin, professeur distingué de biologie et directeur du Allen Discovery Center de l’Université Tufts, a déclaré dans un communiqué de presse.

Des implications scientifiques plus importantes

L’objectif ultime des chercheurs avec le développement de Xenobots et d’autres robots vivants similaires est double. L’une consiste à créer des armées de robots capables d’effectuer des tâches spécifiques et programmées, telles que des tâches environnementales telles que le nettoyage des déchets toxiques ou potentiellement dans des applications médicales thérapeutiques.

D’un point de vue biologique, les chercheurs espèrent également réaliser quelque chose de peut-être plus important : mieux comprendre « comment les cellules communiquent lorsqu’elles interagissent les unes avec les autres au cours du développement, et comment nous pourrions mieux contrôler ces interactions », Doug Blackiston, scientifique principal chez Tufts. , a déclaré dans un communiqué de presse.

« D’une certaine manière, les Xenobots sont construits un peu comme un robot traditionnel », a-t-il déclaré. « Seuls nous utilisons des cellules et des tissus plutôt que des composants artificiels pour construire la forme et créer un comportement prévisible. »

Les Xenobots et leurs successeurs peuvent également fournir des informations aux scientifiques sur la façon dont les organismes multicellulaires ont évolué à partir d’anciens organismes unicellulaires, ainsi que sur les racines du traitement de l’information, de la prise de décision et de la cognition dans les organismes biologiques.

Mise à niveau du robot

En termes de nouvelles fonctionnalités, les Xenobots 2.0 ont plusieurs améliorations notables par rapport à leurs prédécesseurs. Alors que l’équipe a adopté une approche descendante pour développer les précédents robots autonomes de la taille d’un millimètre – grâce au placement manuel de tissus et à la mise en forme chirurgicale de la peau de grenouille et des cellules cardiaques pour produire un mouvement – ils ont pris le chemin inverse cette fois.

Les nouveaux robots ont été créés en prélevant des cellules souches d’embryons de la grenouille africaine Xenopus laevis – l’original du nom « Xenobots » – et en leur permettant de s’auto-assembler et de devenir des sphéroïdes. Après quelques jours, certaines des cellules se sont différenciées pour produire des cils ou de minuscules projections ressemblant à des cheveux qui se déplacent d’avant en arrière ou tournent d’une manière spécifique. Ces cils donnent aux nouveaux robots sphéroïdaux des « jambes » qui leur permettent de se déplacer rapidement sur une surface, ont déclaré les chercheurs, un trait différent du mouvement précédent des robots.

Les Xenobots peuvent désormais enregistrer la mémoire et utiliser ces informations pour modifier les actions et le comportement du robot. L’équipe a conçu les nouveaux robots avec une capacité de lecture/écriture pour enregistrer un bit d’information à l’aide d’une protéine reporter fluorescente appelée EosFP, qui s’allume normalement en vert. Cependant, lorsqu’elle est exposée à la lumière à une longueur d’onde de 390 nm, la protéine émet de la lumière rouge à la place.

Les chercheurs ont injecté aux cellules des embryons de grenouilles de l’ARN messager codant pour la protéine EosFP avant que les cellules souches ne soient excisées pour créer les Xenobots, donnant aux Xenobots matures maintenant un interrupteur fluorescent intégré qui peut enregistrer l’exposition à la lumière bleue autour de 390 nm.

Pour tester cette nouvelle fonctionnalité, les chercheurs ont permis à 10 Xenobots de nager autour d’une surface sur laquelle un spot est éclairé par un faisceau de lumière de 390 nm. Après deux heures, ils ont découvert que trois robots émettaient une lumière rouge, tandis que le reste restait vert, enregistrant «l’expérience de voyage» des robots.

Potentiel de mémoire

« Lorsque nous apportons plus de capacités aux robots, nous pouvons utiliser les simulations informatiques pour les concevoir avec des comportements plus complexes et la capacité d’effectuer des tâches plus élaborées », a noté Josh Bongard, informaticien et expert en robotique de l’UVM. « Nous pourrions potentiellement les concevoir non seulement pour signaler les conditions de leur environnement, mais également pour modifier et réparer les conditions de leur environnement. »

Cette preuve de principe de la mémoire moléculaire pourrait être étendue à l’avenir pour détecter et enregistrer non seulement la lumière mais aussi la présence de contamination radioactive, de polluants chimiques, de médicaments ou d’un problème de santé, comme une maladie, a-t-il déclaré. Une ingénierie plus poussée de la fonction de mémoire ouvre également la voie à l’enregistrement de plusieurs stimuli, ou permet aux robots de libérer des composés ou de changer de comportement en fonction de la sensation de stimuli, a ajouté Bongard.

Bongard et son collègue Sam Kriegman ont simulé les Xenobots dans des centaines de milliers de conditions environnementales aléatoires à l’aide d’un algorithme évolutif dans le cadre de la recherche. Les scientifiques ont ensuite utilisé les simulations pour identifier les Xenobots les plus capables de travailler ensemble en essaims pour rassembler de gros tas de débris dans un champ de particules, par exemple.

Ce que les chercheurs ont appris des simulations, c’est que les nouveaux Xenobots sont beaucoup plus rapides et meilleurs que leurs prédécesseurs pour des tâches telles que la collecte des ordures, travaillant ensemble dans un essaim pour rassembler de plus gros tas de particules d’oxyde de fer à partir d’une boîte de Pétri. Ils peuvent également couvrir de grandes surfaces planes ou voyager à travers des tubes capillaires étroits, ont-ils observé.

Les nouveaux Xenobots partagent également les propriétés d’auto-guérison de leurs prédécesseurs, avec la capacité de fermer la majorité d’une grave lacération sur toute la longueur de la moitié de leur épaisseur dans les cinq minutes suivant la blessure, ont déclaré les chercheurs. Tous les robots blessés pourraient finalement guérir la plaie, restaurer leur forme et continuer leur travail comme avant, démontrant que « la guérison est une caractéristique naturelle des organismes vivants, et elle est préservée dans la biologie Xenobot », a déclaré Levin dans un communiqué de presse.

Pour plus d’informations sur les Xenobots, Levin a livré une conférence TED disponible en ligne qui décrit les robots, leur potentiel et leur impact sur la robotique.