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Lernen Sie Xenobot Kennen, Einen Unheimlichen Neuen Programmierbaren Organismus

Lernen Sie Xenobot Kennen, Einen Unheimlichen Neuen Programmierbaren Organismus
Lernen Sie Xenobot Kennen, Einen Unheimlichen Neuen Programmierbaren Organismus
Anonim

Unter dem wachsamen Auge eines Mikroskops huschen fleißige kleine Blobs in einem Flüssigkeitsfeld herum - sie bewegen sich vorwärts, drehen sich um und drehen sich manchmal im Kreis. Lass Zelltrümmer auf die Ebene fallen und die Kleckse werden sie zu Haufen zusammenballen. Wenn Sie einen Klecks auf den Rücken legen, liegt er wie eine umgedrehte Schildkröte da.

Ihr Verhalten erinnert an einen mikroskopisch kleinen Plattwurm, der auf der Suche nach seiner Beute ist, oder sogar an ein kleines Tier, das Wasserbär genannt wird - eine Kreatur, deren Körperstruktur komplex genug ist, um anspruchsvolles Verhalten zu managen. Die Ähnlichkeit ist eine Illusion: Diese Kleckse bestehen nur aus zwei Dingen, Hautzellen und Herzzellen von Fröschen.

Die Forscher beschreiben heute in den Proceedings der National Academy of Sciences, wie sie mithilfe von evolutionären Algorithmen sogenannte Xenobots (aus der Froschart Xenopus laevis, aus der ihre Zellen stammen) entwickelt haben. Sie hoffen, dass diese neue Art von Organismus - zusammenziehende Zellen und passive Zellen - und ihr unheimlich fortgeschrittenes Verhalten dazu beitragen können, die Geheimnisse der zellulären Kommunikation zu lüften.

Wie Zellen zusammenarbeiten, um komplizierte Anatomien zu formen, ist „ein großes Rätsel“, sagt der Entwicklungsbiophysiker Michael Levin von der Tufts University, Mitautor des neuen Papiers. „Was uns sehr interessiert, ist die Frage, wie Zellen zusammenarbeiten, um bestimmte funktionale Strukturen zu bilden.“Sobald sie anfangen, dieses Unbekannte zu untersuchen, kommen sie vielleicht sogar bei der mysteriöseren Frage voran, wozu eine Zelle sonst noch bereit sein könnte machen.

Levin und seine Kollegen begannen, ihre Xenobots mit Hilfe der Zellen selbst und einiger ausgefallener Algorithmen mitzugestalten. Sie ernteten Stammzellen von Froschembryonen und differenzierten sie in Herzzellen, die sich auf natürliche Weise zusammenziehen, und Hautzellen, die dies nicht tun. Unter einem Mikroskop basteln sie diese aktiven und passiven Komponenten zusammen und nutzen dabei die natürliche Neigung der Zellen, aneinander zu haften. Einige waren keilförmig, andere bogenförmig. In der obigen.gif"

Wenn sich die Xenobots bewegten, konnten die Forscher beobachten, wie ihre einzigartigen Strukturen - sowohl in der Anordnung ihrer Zellen als auch in der Gesamtform des Blobs - dem Verhalten zugeordnet wurden. Sie schickten all diese Daten an ein Team von Informatikern, die eine simulierte Umgebung für digitale Versionen der Xenobots erstellten. Anschließend führten sie evolutionäre Algorithmen aus, die gewissermaßen die Prozesse der natürlichen Selektion nachbilden, um zu untersuchen, wie ein Xenobot funktioniert Struktur hilft ihm, sich vorwärts zu bewegen. Das System sucht nach möglichen Manipulationen des Xenobot-Designs und untersucht, wie sich diese neuen Designs auf die Funktionalität auswirken können. Xenobots, die bei einer bestimmten Aufgabe in der Simulation gut abschneiden, werden als „fit“eingestuft und mit anderen leistungsstarken Mitarbeitern gezüchtet, um eine neue Generation von „weiterentwickelten“Xenobots zu erstellen.

zwei reihen mit 5 fotos die obere reihe sind rot und blau gewürfelte digitalisierte skulptur die untere reihe sind die organismen
zwei reihen mit 5 fotos die obere reihe sind rot und blau gewürfelte digitalisierte skulptur die untere reihe sind die organismen

Levin und seine Mitarbeiter versuchen dann, einige dieser Entwürfe zu bauen. andere werfen sie raus. Sie senden diejenigen, die arbeiten, zurück an die Informatiker, die ihren Simulator basierend auf den Erfahrungen der Labormitarbeiter anpassen. "So ist es diese Art von Hin- und Her-Zyklus zwischen dem Design und der Biologie, der hilft, die Regeln zu verstehen, nach denen die Biologie arbeitet", sagt Levin.

Die hirnlosen Blobs benehmen sich am Ende auf geradezu gruselige Weise. "Sie ändern ihre Bewegung von Zeit zu Zeit, so dass sie sich auf eine bestimmte Weise bewegen, dann ändern sie es, dann drehen sie sich um und gehen zurück", sagt Levin. Wenn sie anderen losen Zellen begegnen, treiben sie sie in kleinen Haufen. Schneide einen Xenobot auf und er wird sich wieder zusammenreißen, à la T-1000 von Terminator 2. Zwei Xenobots könnten sich zusammenschließen und als glückliches Paar herumtollen. Ein Xenobot mit einem Loch darin kann Dinge aufnehmen und tragen.

mehrfach digitalisierte Würfelskulpturen
mehrfach digitalisierte Würfelskulpturen

Wie die Zellen eines Xenobots kommunizieren - oder wie die Zellen im Allgemeinen kommunizieren -, um solch komplexe Verhaltensweisen hervorzurufen, ist das, was Levin und seine Kollegen wollen. "Und vor allem, wie wir es kontrollieren können", sagt Levin. Ein Xenobot ist ein einzigartiger Organismus: Er ist sowohl ein Lebewesen aus lebenden Zellen als auch eine Maschine, die die Forscher programmieren können, um bestimmte Verhaltensweisen auszudrücken. Die Froschzellen sind an sich nichts Besonderes - es ist das aufstrebende Verhalten, das sie gemeinsam hervorrufen, das so bemerkenswert ist.

Dann können wir anfangen, über eine völlig neue Art der Robotik nachzudenken. Ein typischer humanoider Roboter ist eine Ansammlung dummer Teile, die ein (idealerweise) intelligentes Ganzes bilden, das herumlaufen und Objekte manipulieren kann. Aber ein menschlicher Körper ist den ganzen Weg nach unten intelligent - Zellen kommunizieren, um Gewebe zu bilden, die zusammenarbeiten, um Organe zu bilden, die das (idealerweise) intelligente Ganze bilden. "Wir sind daran interessiert, diese Informationen an Technik und KI zurückzugeben", sagt Levin.

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