تولید نسل جدید ربات های زیستی زنده

ساخت موجودات مصنوعی زنده که قادر به حرکت دسته‌جمعی، جابجا کردن ذرات و ثبت اطلاعات هستند. سال گذشته تیمی از متخصصان کامپیوتر و زیست‌شناسی دانشگاه تافتز Tufts University و ورمونت University of Vermont (UVM) موفق شدند از سلول‌های قورباغه، ربات های زیستی به نام Xenobot بسازند. این ربات‌های کوچک قابلیت خودترمیمی، حرکت در محیط و جابجایی ذرات را دارند. علاوه بر این در حضور گروهی از Xenobotهای دیگر، رفتار جمعی از خود نشان می‌دهند.

نسل جدید Xenobotها به نام Xenobots 2.0

این تیم از محققان اکنون گونه‌ای از موجودات زنده تولید کرده‌اند که از یک سلول، برای خود بدنی کامل می‌سازد. این موجودات بدون نیاز به سلول عضله‌ای حرکت می‌کنند و علاوه بر این، قابلیت حافظه نیز دارند. نسل جدید Xenobotها در مقایسه با نسل قبل، می‌توانند سرعت بیشتری داشته باشند و در محیط‌های گوناگون حرکت کنند، علاوه بر این طول عمر بیشتری دارند. کار گروهی و خودترمیمی (در صورت بروز آسیب) نیز در این موجودات دیده می‌شود.

نسل اول Xenobotها، ربات‌های خودکاری در ابعاد میلی‌متری بودند که با یک رویکرد بالا به پایین، از طریق جایگذاری دستی بافت و شکل‌دهی پوست و سلول‌های قلب قورباغه (با جراحی) ساخته می‌شدند و قابلیت حرکتشان نیز متکی بر همین سلول‌ها بود. اما در نسل جدید Xenobotها، رویکرد به کاررفته پایین به بالاست. زیست‌شناسان دانشگاه تافتز سلول‌های بنیادی را از جنین قورباغه‌ی پنجه‌دار آفریقایی یا Xenopous Laevis استخراج کردند (نام Xenobotها نیز از همین‌جا گرفته شده است)؛ سپس به آن‌ها فرصت دادند تا به یکدیگر پیوسته و توده‌های کروی تشکیل دهند. برخی از سلول‌های این توده‌ی کروی بعد از چند روز تمایز یافته و مژک تولید کردند؛ مژک‌ها انشعاباتی شبیه مو هستند که به سمت جلو عقب کرده و یا به شکل خاصی می‌چرخند. در نسل اول Xenobotها، سلول‌های قلبی از طریق جراحی جایگذاری می‌شدند؛ انقباضات منظم طبیعی این سلول‌ها، Xenobotها را قادر می‌ساخت در محیط حرکت کنند؛ اما در نسل جدید، مژک‌ها هستند که این ربات‌های کروی را قادر می‌سازند به سرعت روی یک سطح جابجا شوند. در قورباغه‌ها یا حتی انسان‌ها، مژک‌ها معمولاً در سطوح مخاطی (مثل ریه) قرار دارند و به خارج راندن پاتوژن‌ها (عوامل بیماری‌زا) و سایر مواد بیگانه کمک می‌کنند. اما در Xenobotها کارکرد مژک‌ها فراهم آوردن قابلیت حرکت سریع است.

مایکل لوین، استاد تمام زیست‌شناسی و مدیر مؤسسه‌ی کشفیات الن در دانشگاه تافتز که نویسنده مسئول پژوهش مذکور نیز می‌باشد، می‌گوید: «نتایج این آزمایشات حاکی از انعطاف‌پذیری خارق‌العاده‌ی جوامع سلولی بود که با وجود داشتن یک ژنوم کاملاً نرمال توانستند یک بدن بدوی جدید، کاملاً متمایز از بدن اصلی که این‌جا همان قورباغه است، خلق کنند. سلول‌های جنین قورباغه با هم همکاری می‌کنند تا یک بچه‌قورباغه به وجود آورند. اما این‌جا، زمانی که از بافت خود جدا شده‌اند، همین سلول‌ها هدفی که توسط سخت‌افزار ژنتیکی‌شان برنامه‌ریزی شده است را تغییر می‌دهند؛ مثلاً مژک برای حرکت و جابجایی به کار می‌رود. واقعاً شگفت‌انگیز است که سلول‌ها می‌توانند به صورت خودبخودی وظایف جدید بر عهده بگیرند و بدون نیاز به یک فرآیند تکاملی بلندمدت، کارکردها و رفتارهای زیستی جدید از خود نشان دهند.»

متخصص ارشد، داگ بلکیستون Doug Blackiston، که به همراه اما لدرر Emma Lederer مقاله‌ی مذکور را نوشته‌اند، معتقد است: «Xenobotها تا حد زیادی مثل ربات‌های معمولی ساخته می‌شوند. تنها تفاوت این است که برای ساخت بدن و ایجاد رفتارهای قابل‌پیش‌بینی، به جای اجزای مصنوعی از سلول‌ها و بافت طبیعی استفاده می‌کنیم. این رویکرد از نظر زیستی به ما کمک می‌کند ارتباط بین سلول‌ها در طول رشد را درک کرده و این تعاملات را به شکل بهتری کنترل کنیم.»

همزمان با تولید این موجودات فیزیکی توسط متخصصان دانشگاه تافتز، دانشمندان دانشگاه UVM مشغول شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از اشکال متفاوت Xenobot ها بودند تا ببینند آیا به رفتارهای فردی و جمعی متفاوتی برمی‌خورند یا خیر. این تیم از متخصصان کامپیوتر و رباتیک که توسط جاش بنگارد Josh Bongard مدیریت می‌شود، از ابرکامپیوتر مرکز محاسبات پیشرفته UVM به نام Deep Green استفاده کردند و آزمایشات خود را در شرایط محیطی متفاوت با استفاده از یک الگوریتم تحولی اجرا نمودند. هدف از این شبیه‌سازی‌ها تشخیص Xenobotهایی بود که بیشترین قابلیت را در کار گروهی و جمع‌آوری ذرات‌ موجود در محیط داشته باشند.

بنگارد معتقد است: «مسئله برای ما شناخته‌شده است، اما نمی‌دانیم که طراحی موفق باید چه شکل و مشخصاتی داشته باشد. این‌جاست ابرکامپیوترها وارد صحنه می‌شوند تا در کل فضا، به دنبال مجموعه‌های ممکن از Xenobot ها باشند که بهترین عملکرد را دارند. ما می‌خواهیم Xenobotها کارهای مفید انجام دهند. در حال حاضر آن‌ها را با یک مسئله‌ی ساده روبرو کرده‌ایم، اما هدف نهایی این است که بتوانیم از این ابزارهای زنده در مسائلی همچون جمع‌آوری پلاستیک‌های کوچک در اقیانوس یا پاکسازی خاک از آلاینده‌ها استفاده کنیم.»

به نظر می‌رسد این Xenobot‌ها نسبت به مدل سال قبل سرعت بیشتر و عملکرد بهتری در مسائلی همچون جمع‌آوری زباله داشته باشند؛ زیرا در ظرف کشت میکروب به صورت گروهی کار و حرکت کرده و مقدار بیشتری از ذرات اکسید آهن را جمع‌آوری می‌کنند. علاوه بر این، می‌توانند سطوح وسیع‌تری را پوشش دهند و یا در مجاری باریک حرکت کنند. این مطالعات نشان می‌دهند که شبیه‌سازی‌های کامپیوتری در آینده خواهند توانست ویژگی‌های بیشتری را در ربات های زیستی بهینه‌سازی کنند تا بدین ترتیب به رفتارهای پیچیده‌تری دست یابند. یکی از ویژگی‌های مهمی که به نسل جدید Xenobotها افزوده شده، توانایی آن‌ها در ثبت اطلاعات است.

حافظه در نسل جدید Xenobotها

یکی از ویژگی‌های اصلی رباتیک توانایی ثبت و به‌خاطرسپاری اطلاعات و استفاده از آن اطلاعات به منظور اصلاح اقدامات و رفتارهای ربات است. در همین راستا، متخصصان دانشگاه تافتز قابلیت خواندن/نوشتن را به Xenobotها افزودند؛ در نتیجه‌ی این قابلیت، این موجودات می‌توانند با استفاده از یک پروتئین گزارشگر فلورسنت به نام EosFP مقدار کمی اطلاعات ذخیره کنند. EosFP در حالت عادی رنگ سبز را از خود منعکس می‌کند، اما زمانی که در معرض نور با طول موج 390 نانومتر قرار گیرد، نور قرمز تولید می‌کند.

قبل از این‌که سلول‌های بنیادی برای تولید Xenobotها استخراج شوند، RNA پیام‌رسانی که مسئول رمزنویسی پروتئین EosFP است، به سلول‌های جنین قورباغه تزریق می‌شود. بدین ترتیب Xenobotهای بالغ درون خود فلورسنتی خواهند داشت که می‌تواند قرار گرفتن در معرض نور آبی با طول موج حدود 390 نانومتر را به خاطر بسپارد.

به منظور آزمایش قابلیت حافظه، پژوهشگران 10 Xenobot را روی یک سطح قرار دادند؛ به یک نقطه از این سطح، نوری با طول موج 390 نانومتر می‌تابید. بعد از دو ساعت، سه عدد از این ربات‌ها نور قرمز تولید کردند. بقیه‌ی ربات‌ها همان رنگ سبز را از خود نشان داده و بدین طریق، به خوبی «تجربه‌ی جابجایی» را ثبت کردند.

با گسترش این حافظه در آینده می‌توان کاری کرد که Xenobotها بتوانند علاوه بر نور، حضور آلودگی‌های رادیواکتیو، آلاینده‌های شیمیایی، مواد مخدر یا بیماری را نیز به خاطر بسپارند. مهندسی بیشتر قابلیت حافظه در این ربات‌ها می‌تواند ثبت چندین محرک (یعنی مقدار اطلاعات بیشتر) را نیز میسر سازد و یا به این ربات‌ها اجازه دهد عناصری از خود تولید کرده و یا در اثر رویارویی با یک محرک خاص، رفتار خود را تغییر دهند.

به گفته‌ی بنگارد: «با افزودن قابلیت‌های بیشتر به این ربات‌ها و به کمک شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، می‌توانیم رفتارهای پیچیده‌تر و قابلیت انجام مسائلی گسترده‌تر را برای آن‌ها فراهم کنیم. برای مثال می‌توانیم آن‌ها را به نحوی طراحی کنیم که علاوه بر گزارش شرایط موجود در یک محیط، آن شرایط را تغییر داده و اصلاح کنند.»

خاصیت خودترمیمی Xenobotها

لوین می‌گوید: «مواد زیستی که در این پروژه به کار می‌بریم خواص و ویژگی‌های فراوانی دارند که امیدواریم بتوانیم در ربات‌ها پیاده‌سازی کنیم؛ در این صورت سلول‌ها قادر خواند بود به عنوان سنسور، موتور حرکت، شبکه‌های ارتباطی و محاسباتی، یا دستگاه‌هایی برای ثبت اطلاعات عمل کنند. Xenobotها و ربات های زیستی آینده خاصیتی دارند که در ربات‌های فیزیکی و پلاستیکی همتای آن‌ها دیده نمی‌شود؛ رشد و بالغ شدن سلول‌ها این امکان را به ربات های زیستی می‌دهد که بدن خود را ساخته و یا در صورت بروز آسیب و صدمه، خود را ترمیم و تعمیر کنند. خودترمیمی یکی از ویژگی‌های ذاتی موجودات زنده است که در جنبه‌ی زیستی Xenobotها نیز محفوظ مانده است.»

Xenobotهای جدید مهارت خارق‌العاده‌ای در ترمیم خود دارند؛ به نحوی که می‌توانند طی 5 دقیقه پس از آسیب، عمده‌ی زخمی به اندازه‌ی نصف ضخامت خود را ترمیم کنند. همه‌ی ربات‌های آسیب‌دیده توانستند زخم را بهبود بخشیده، شکل خود را بازسازی کرده و همچون گذشته به کار خود ادامه دهند.

لوین در ادامه‌ی صحبت‌ خود بیان کرد: «یکی دیگر از مزایای ربات های زیستی متابولیسم آن‌هاست.» بر خلاف ربات‌های فلزی و پلاستیکی، سلول‌های یک ربات زیستی می‌توانند مواد شیمیایی را جذب و تجزیه کنند؛ این سلول‌ها شبیه کارخانه‌های کوچکی هستند که مواد شیمیایی و پروتئین‌ می‌سازند و دفع می‌کنند. حوزه‌ی زیست‌شناختی مصنوعی عمدتاً متمرکز بر برنامه‌نویسی مجدد موجودات تک‌سلولی به منظور تولید مولکول‌های مفید است، و اکنون می‌توان تمام دستاوردهای آن را در این موجودات چندسلولی مشاهده کرد.

Xenobotهای جدید همچون نسل قبلی، می‌توانند با تکیه بر ذخایر انرژی جنینی خود تا ده روز زنده مانده و وظایف خود را بدون نیاز به منابع انرژی دیگر انجام دهند؛ اما در صورتی که در محیطی پر از مواد غذایی نگهداری شوند، می‌توانند تا ماه‌ها با سرعت تمام به زندگی خود ادامه دهند.

هدف واقعی دانشمندان

مایکل لوین در یک تدتاک، توضیحی جذاب از ربات های زیستی و آن‌چه می‌توانیم از آن‌ها بیاموزیم بیان کرده است.

در این سخنرانی، لوین نه تنها ظرفیت چشم‌گیر ربات های زیستی کوچک در انجام وظایفی مهم در محیط زیست و قابلیت‌های درمانی آن‌ها را توضیح می‌دهد، بلکه به مهم‌ترین و باارزش‌ترین مزیت این تحقیقات نیز اشاره می‌کند: استفاده از ربات‌ها برای درک رفتار فردی و جمعی سلول‌ها، تعامل آن‌ها با یکدیگر، و نحوه‌ی تخصصی کردن سلول‌ها به منظور خلق موجودات بزرگ‌تر (همانطور که در طبیعت رخ می‌دهد). این سیستم جدیدی است که می‌تواند اساس و بنیان تولید داروهای ترمیم‌کننده (احیاءکننده) قرار گیرد.

Xenobotها و پیشینیان آن‌ها به خوبی نشان می‌دهند که موجودات چندسلولی چطور از موجودات قدیمی تک‌سلولی به وجود آمده‌اند. علاوه بر این‌ها، در مورد منشأ پردازش اطلاعات، تصمیم‌گیری و شناخت در موجودات زیستی نیز اطلاعات و بینش خوبی در اختیار می‌گذارند.

دانشگاه تاتفز و ورمونت با به رسمیت شناختن آینده‌ی درخشان این فناوری، مؤسسه‌ی موجودات طراحی‌شده توسط کامپیوتر Institute for Computer Designed Organisms (ICDO) را طی چند ماه آینده تأسیس خواهند کرد. این مؤسسه منابع هردو دانشگاه را با منابع بیرونی ادغام می‌کند تا ربات‌های زنده با قابلیت‌هایی پیشرفته‌تر تولید کند.

جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید.