Искусственный интеллект помог создать первых живых роботов

Исследователи создали новую форму жизни – первых роботов, построенных целиком из живых клеток. Это стало возможным, главным образом, благодаря искусственному интеллекту, который предоставил инструкции для их создания. Эти существа могут вызвать сдвиг в медицине, экологии и нашем фундаментальном понимании природы.

Детальное описание создания новой, программируемой формы организма изложено в статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

“Это новые живые машины. Они не являются ни традиционным роботом, ни известным видом животных. Это новый класс объектов: живой, программируемый организм”, – говорит Джошуа Бонгард, ученый в области компьютерных наук и эксперт по робототехнике Вермонтского университета, руководивший новым исследованием.

Вклад искусственного интеллекта

Современные алгоритмы машинного обучения – это не ИИ из фильма “Матрица”, однако вполне реальный и весьма полезный инструмент. Он помогает обрабатывать информацию в масштабах за пределами способностей человека, открывая доселе недоступные нам горизонты. Например, в недавнем исследовании искусственный интеллект в Японии, просканировав миллионы изображений рака простаты, сумел определить диагностические признаки, о которых раньше не знали. Это открыло путь к своевременной и точной диагностики заболевания.

А в этот раз искусственный интеллект, управляемый исследователями из Вермонтского университета, используя эволюционные алгоритмы , сгенерировал тысячи вариаций новых жизненных форм. Но это были не только симуляции – все предложенные ИИ варианты можно создать в лаборатории.

Суперкомпьютер Deep Green на базе Вермонтского университета, чья мощность позволила создать ксеноботов. Источник: Вермонтский университет.

Искусственный интеллект получил задание отобрать маленькие жизнеспособные варианты живых систем, построенных с 500-1000 клеток. Для удобства, на первый раз компьютер рассчитывал возможность создания существ из клеток распространенного модельного организма – лягушки Xenopus laevis(собственно, по названию этого вида ученые и назвали свое творение – ксенобот). Ксенобота буквально собрали из лягушачьих стволовых клеток кожи и сердца.

Поэтому из тысяч предложенных кандидатов отбирали наиболее эффективных: исследователи наблюдали, как виртуальные роботы с различными комбинациями клеток выполняют определенные задачи в компьютерной симуляции. Например, как они двигаются. Таким образом кандидаты, чья комбинация клеток позволяла им успешно выполнить задание, становились прототипом реальных ботов, чье поведение впоследствии изучали уже в чашках Петри.

Примеры виртуальных прототипов ксеноботов и их реальные аналоги. 
Источник: Вермонтский университет и Университет Тафтса.

Инструкция по созданию биоботов

Для воплощения замысла ученые из Университета Тафтса с помощью миниатюрных инструментов разрывали эмбрионы лягушек на отдельные клетки, которые впоследствии инкубировали. Так они получили строительный материал для создания живых роботов.

Следующим шагом стало собственно строительство. Используя щипцы и тонкие электроды, ученые соединяли между собой клетки кожи и сердца именно в такой конфигурации, как это предложил суперкомпьютер.

Таймлапс съемка манипуляций с эмбрионами лягушек и построения ксеноботов, согласно дизайну, созданному компьютером. Источник: Douglas Blackiston, Университет Тафтса.

“Вы смотрите на клетки, из которых мы создали наших ксеноботов, и по геному – это лягушки. Это ДНК лягушки на 100%, но это не лягушки. Тогда вы спрашиваете, что еще можно построить из этих клеток?”,- объясняет Майкл Левин из Центра регенеративной биологии и биологии развития при Университете Тафтса. “Как мы показали, эти клетки лягушек можно совместить для создания интересных форм жизни, полностью отличающихся от их первоначальной анатомии.”

По желанию, можно расположить клетки таким образом, чтобы они, например, двигались направлено. То есть можно запрограммировать их выполнять необходимые для конкретных целей действия. Во время эксперимента можно было наблюдать, как несколько запрограммированных ксеноботов действовали скоординированно, двигаясь кругами и толкая объекты в одном направлении.

Следы, оставленные ксеноботамы во время их перемещения. 
Источник: Douglas Blackiston.

Кроме самого факта возможности создания биоботов, не менее исключительными есть некоторые их свойства. Ксеноботы имеют особенность, по которой они дадут фору любому другому роботу, созданному из металла – они могут самостоятельно восстанавливать себя после повреждений. Чтобы удостовериться в этом, ученые в ходе экспериментов практически разрезали пополам робота, но он успешно восстанавливал себя и продолжал функционировать как раньше.

“Недостатком живой ткани является то, что она слаба и деградирует. Поэтому мы используем сталь. Но организмы практиковались восстанавливать себя 4500000000 лет, и могут делать это десятилетиями», – отмечает Бонгард.

Надо учитывать, что биороботы не загрязняют окружающую среду. 

Универсальный солдат

Ксенобот и его виртуальный прототип. Источник: Университет Тафтса

Новое существо можно создать и другой формы. В одной из вариаций, предложенных компьютером, робот чем-то похож на бублик – имеет дырку внутри. Туда можно было бы поместить какой-то груз, который захватывал бы робот, например, лекарства. Так можно доставлять медикаменты в конкретные ткани или органы. Компьютерная модель также предусматривает возможность усовершенствовать эту дыру, превратив ее в мешок, чтобы обеспечить лучшую защиту его содержимого.

Пока изобретателям сложно предсказать все области, в которых стали бы полезным эти создания. Целевое транспортировки лекарств не единственное, чем биороботы могли бы помочь медикам. Ученые надеются, что их можно успешно использовать для очистки сосудов от тромбов или даже во время оперативных вмешательств. Экологи, как считают исследователи, тоже смогут оценить маленьких «монстров Франкенштайна», если их запрограммировать, например, на очистку океана от микропластика или поиск радиоактивного загрязнения.

Все зависит от того, из каких материалов строится робот. Его реально собрать и из других клеток и тканей. Например, с нервных, что даже интереснее. Так можно было бы создать модель для изучения интеллекта и того, как его интегрировать в живых или неживых объектах, да и вообще расширить список подходящих модельных организмов.

Proceedings of the National Academy of Sciences (2019), doi: 10.1073 / pnas.1910837117 .