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Xenobots 2.0 sviluppati con cellule staminali di rana

Xenobots 2.0 sono qui e sono ancora sviluppati con cellule staminali di rana

Lo stesso team di biologi e informatici della Tufts University e dell’Università del Vermont che ha creato gli ” Xenobots ” lo scorso anno ha ora sviluppato c. La versione dello scorso anno erano nuove, minuscole macchine biologiche autorigeneranti create da cellule di rana, e in alcuni casi potevano navigare, spingere carichi utili e agire come un’unità collettiva.

Xenobots 2.0
I nuovi Xenobots 2.0 sono forme di vita che possono autoassemblare un corpo da singole cellule. Non richiedono che i muscoli si muovano e hanno persino dimostrato una memoria registrabile. Rispetto alle loro controparti precedenti, i nuovi robot si muovono più velocemente, navigano ancora più ambienti e hanno una durata di vita più lunga. Allo stesso tempo, possono ancora lavorare insieme e curarsi se danneggiati.

La nuova ricerca è stata pubblicata su Science Robotics .

Con Xenobots 1.0, le automazioni di dimensioni millimetriche sono state costruite “dall’alto verso il basso”, con il posizionamento manuale del tessuto e la modellazione chirurgica della pelle di rana e delle cellule cardiache, che produce movimento. Con la nuova versione della tecnologia, sono stati costruiti “dal basso verso l’alto”.

Le cellule staminali sono state prelevate dagli embrioni della rana africana chiamata Xenopus laevis, e questo ha permesso loro di autoassemblarsi e crescere in sferoidi. Dopo alcuni giorni, le cellule si sono differenziate e hanno prodotto ciglia che si muovevano avanti e indietro o ruotavano in un modo specifico.

Queste ciglia forniscono ai nuovi robot un tipo di “gambe” che consente loro di viaggiare rapidamente attraverso le superfici. Nel mondo biologico, le ciglia, o minuscole proiezioni simili a capelli, si trovano spesso su superfici mucose come i polmoni. Aiutano spingendo fuori materiale estraneo e agenti patogeni, ma negli Xenobot offrono una rapida locomozione.

Michael Levin è un illustre professore di biologia e direttore dell’Allen Discovery Center presso la Tufts University. È l’autore corrispondente dello studio.

“Stiamo assistendo alla notevole plasticità dei collettivi cellulari, che costruiscono un nuovo ‘corpo’ rudimentale che è abbastanza diverso dal loro predefinito – in questo caso, una rana – nonostante abbiano un genoma completamente normale”, ha detto Levin. “In un embrione di rana, le cellule cooperano per creare un girino. Qui, rimosse da quel contesto, vediamo che le cellule possono riutilizzare il loro hardware geneticamente codificato, come le ciglia, per nuove funzioni come la locomozione. È sorprendente che le cellule possano assumere spontaneamente nuovi ruoli e creare nuovi piani corporei e comportamenti senza lunghi periodi di selezione evolutiva per quelle caratteristiche “.

Lo scienziato senior Doug Blackiston è stato il primo autore dello studio insieme al tecnico di ricerca Emma Lederer.

“In un certo senso, gli Xenobot sono costruiti in modo molto simile a un robot tradizionale. Solo noi usiamo cellule e tessuti piuttosto che componenti artificiali per costruire la forma e creare un comportamento prevedibile “. Ha detto Blackiston “Dal punto di vista della biologia, questo approccio ci aiuta a capire come le cellule comunicano mentre interagiscono tra loro durante lo sviluppo e come potremmo controllare meglio queste interazioni”.

All’UVM, gli scienziati stavano sviluppando simulazioni al computer che modellavano forme diverse degli Xenobot, aiutando a identificare eventuali comportamenti diversi che venivano esibiti sia negli individui che nei gruppi. Il team ha fatto affidamento sul cluster di supercomputer Deep Green presso il Vermont Advanced Computing Core di UVM.

Guidato dagli scienziati informatici e dall’esperto di robotica Josh Bongard, il team ha individuato centinaia di migliaia di condizioni ambientali attraverso l’uso di un algoritmo evolutivo. Le simulazioni sono state quindi utilizzate per identificare Xenobot che potrebbero lavorare insieme in sciami per raccogliere detriti in un campo di particelle.

Conosciamo il compito, ma non è affatto ovvio – per le persone – come dovrebbe essere un design di successo. È qui che entra in gioco il supercomputer e cerca nello spazio di tutti i possibili sciami di Xenobot per trovare lo sciame che fa meglio il lavoro “, afferma Bongard. “Vogliamo che Xenobots faccia un lavoro utile. In questo momento stiamo assegnando loro compiti semplici, ma alla fine miriamo a un nuovo tipo di strumento vivente che potrebbe, ad esempio, ripulire le microplastiche nell’oceano o i contaminanti nel suolo “.

La nuova versione dei bot è più veloce ed efficiente in attività come la raccolta dei rifiuti e ora possono coprire grandi superfici piane. Il nuovo aggiornamento include anche la possibilità per Xenobot di registrare le informazioni.

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Memoria di registrazione e autoguarigione
La nuova caratteristica più impressionante della tecnologia è la capacità dei bot di registrare la memoria, che può quindi essere utilizzata per modificare le sue azioni e comportamenti. La funzione di memoria di nuova concezione è stata testata e la prova del concetto ha dimostrato che potrebbe essere estesa in futuro per rilevare e registrare la luce, la presenza di contaminazione radioattiva, inquinanti chimici e altro ancora.

“Quando portiamo più capacità ai bot, possiamo usare le simulazioni al computer per progettarli con comportamenti più complessi e la capacità di svolgere compiti più elaborati”, ha detto Bongard. “Potremmo potenzialmente progettarli non solo per segnalare le condizioni nel loro ambiente, ma anche per modificare e riparare le condizioni nel loro ambiente”.

La nuova versione dei robot è anche in grado di auto-curarsi in modo molto efficiente, dimostrando che sono in grado di chiudere la maggior parte di una grave lacerazione a tutta lunghezza per metà del loro spessore in soli cinque minuti.

I nuovi Xenobot trasferiscono la capacità di sopravvivere fino a dieci giorni su riserve di energia embrionale e le loro attività possono essere svolte senza fonti di energia aggiuntive. Se vengono conservati in vari nutrienti diversi, possono continuare a piena velocità per mesi.

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