Как называются роботы из кожи
Обновлено: 23.04.2024
В реальной жизни роботы пока выглядят, как неуклюжие механизмы из металла или пластика, которые с трудом взаимодействуют с окружающей средой, людьми и такими же роботами. В середине января ученые из университетов Вермонта и Тафтса перевернули это представление — они создали роботов, полностью состоящих из живых клеток. Микроскопические полностью программируемые живые организмы размером около 1 мм пока умеют только плавать и толкать маленькие гранулы, но это уже огромный прорыв в биоробототехнике. «Хайтек» рассказывает, зачем нужны роботы из живых клеток, насколько этично создание таких организмов и какое будущее ждет технологию.
Читайте «Хайтек» в
Ученые из университетов Вермонта и Тафтса создали из живых клеток ксеноботов — микроскопических роботов, названных так в честь своего прародителя, африканской когтистой лягушки Xenopus laevis.
Роботы не могут есть, размножаться и живут около недели. Зато они способны плавать, толкать или переносить предметы, а также работать в группах. Это первые роботы, состоящие полностью из живых клеток и способные решать сравнительно широкий спектр задач.
Для того, чтобы создать их, исследователи из Университета Вермонта разработали искусственный интеллект, способный моделировать совместную работу десятков тысяч различных комбинаций клеток кожи и сердца, если они будут существовать в реальном мире. Затем ученые из Университета Тафтса выбрали самое оптимальное сочетание и создали программируемый организм из стволовых клеток, взятых из эмбрионов лягушек.
Исследователи обрезали периферическую область эмбриона, которая обычно развивается в кожу или сердечную мышцу в процессе роста. Затем они вручную разделили ткани на отдельные клетки и поместили их в чашку Петри.
Получившийся организм движется благодаря сокращениям клеток сердечной мышцы — они ведут себя примерно так же, как клетки человеческого сердца. Клетки кожи, в свою очередь, создают каркас, который удерживает клетки сердца вместе.
У ксеноботов есть способности к самовосстановлению: когда ученые повредили клетки кожи одного из роботов, он смог без посторонней помощи восстановить их и ликвидировать рану.
После того, как все клетки соединились в единый организм, исследователи придали ему оптимальную для движения форму, смоделированную ИИ. Получившиеся роботы имеют микроскопический размер — их ширина составляет около миллиметра. Несмотря на это, создание ксенобота — большой шаг в создании программируемых живых организмов, то есть совершенно новых форм жизни.
Главный прорыв исследования заключается в придании смоделированной ИИ формы живому организму — то есть в переводе с языка компьютера на биологический язык, отмечают авторы работы. Ученые создали рецепт робота, который каждый раз выполняет одни и те же функции.
В более ранних исследованиях ученые использовали генную инженерию и различные виды генерации тканей, однако никому из них не удавалось создать устойчивую и воспроизводимую модель биоробота — существа каждый раз имели разную форму, а их функционал сильно отличался. Поэтому использование ИИ для производства роботов из живых клеток имеет большое значение — такие организмы можно воспроизводить бесконечное количество раз без серьезных отличий.
Зачем нужны роботы из живых клеток?
Это может прозвучать как научная фантастика, но люди меняли и меняют организмы на протяжении тысячелетий. Речь идет об одомашнивании диких животных или о селекции сельскохозяйственных культур: например, кукуруза в нынешнем виде сильно отличается от своих дикорастущих далеких предков. Конечный результат таких экспериментов практически невозможно ни предугадать, ни проконтролировать.
Если взглянуть на разработку с этой стороны, она не кажется слишком новаторской. При этом создание роботов из живых клеток — следующий шаг к изменениям организмов, к которым приводит деятельность человека.
Ксеноботы не похожи на традиционных роботов — у них нет блестящих механизмов или роботизированных рук. Они напоминают крошечные шарики движущейся розовой плоти. Исследователи говорят, что эта форма выбрана не случайно — такие программируемые «биологические машины» позволят сделать то, чего не могут обычные роботы из стали и пластика.
Традиционные роботы со временем деградируют — их детали и механизмы изнашиваются, а в случае с медицинскими роботами это может нанести вред здоровью человека. Роботы, созданные из живых клеток, напротив, являются безопасными для здоровья человека и исключают нанесение какого-либо вреда экологии, считают исследователи.
Ксеноботов можно использовать для очистки радиоактивных отходов, сбора микропластиков в океанах или переноса лекарств по сосудам внутри человеческого тела. Ксеноботы выживают в водных средах без дополнительных питательных веществ в течение нескольких дней или недель, что делает их пригодными для внутренней доставки лекарств.
Помимо этих непосредственно практических задач, ксеноботы могут также помочь исследователям узнать больше о клеточной биологии — дальнейшие эксперименты по созданию биороботов дадут ученым представление о том, как клетки взаимодействуют друг с другом в различных сочетаниях.
Это этично?
Исследователи признают, что создание совершенно новых организмов поднимает много этических вопросов — даже если эти организмы не способны думать или чувствовать в привычном понимании. По мере развития технологий научному сообществу, вероятно, придется выработать правила, обеспечивающие этичное отношение к организмам, подобным ксеноботам.
При этом исследователи отмечают, что ксеноботы не являются организмами в привычном смысле слова — они представляют собой набор клеток, которые реагируют на внешнюю стимуляцию.
Что ждет технологию?
Сейчас исследователи сосредоточены на развитии технологии, а не на использовании ксеноботов для решения медицинских или промышленных задач. В частности, ученые пытаются найти механизм, позволяющий клеткам четко взаимодействовать друг с другом внутри организма. Кроме того, инженеры экспериментируют с различными методами стимуляции роботов, в том числе электрическими и химическими сигналами.
Для развития технологии ученым предстоит научиться более точно контролировать процесс роста и взаимодействия разных типов клеток. На данный момент, по словам исследователей, эта цель не выглядит легкодостижимой — как и печать ксеноботов из живых клеток на 3D-принтере в промышленном масштабе. Пока ученые не могут сказать, как технология будет развиваться дальше и с какими ограничениями могут столкнуться разработчики роботов из живых клеток.
Графен — лист атомов чистого углерода — в настоящее время считается самым прочным материалом в мире. Он удивительно тонок — в миллион раз тоньше бумаги. Его толщина настолько мала, что он рассматривается в качестве двухмерного материала. Несмотря на свою высокую цену, графен, благодаря своим уникальным свойствам и разнообразию возможных сфер его применения, очень быстро стал самым перспективным из современных наноматериалов.
В опубликованной научным изданием Open Physics статье индийскими учеными из Хайдарабада рассматриваются экстраординарные свойства самовосстановления графена, которые могут помочь в создании гибких сенсоров, имитирующих способность к самозаживлению человеческой кожи. Ранее уже рассматривались перспективы использования графена в изготовлении искусственной кожи для медицинского применения.
Кожа известна своей невероятной способностью к самовосстановлению, но до сих пор воспроизведение этого феномена с использованием искусственных материалов представлялось практически недостижимым. Искусственная кожа современных роботов крайне подвержена разрывам и трещинам. Рассматриваемое исследование предлагает новое решение, при котором субнаносенсор на основе графена используется для того, чтобы «заживить» трещину в искусственной коже не только в самом начале ее образования, но и тогда, когда уже появился разрыв. Данная технология может найти себе применение в электронике следующего поколения.
Ведущий автор статьи доктор Свати Гхош Ачария (Swati Ghosh Acharyya) отмечает:
«Мы хотели изучить способности к самовосстановлению как неповрежденного, так и поврежденного одинарного слоя графена и их применение в субнаносенсорах, [предназначенных] для затягивания трещин с использованием симуляции молекулярной динамики.
Мы оказались в состоянии задокументировать самовосстановление трещин в графене при комнатной температуре без воздействия каких-либо внешних стимулов».
Оказалось, что самовосстановление происходит по причине спонтанной рекомбинации связей. Эта способность ограничена шириной разрыва.
Ученые исследовали одинарный слой графена с изначально присутствовавшими многочисленными дефектами — пустотами и трещинами в различных местах листа. Что интересно — как только прекращается воздействие нагрузки, графен начинал «залечиваться», и процесс самовосстановления продолжался вне зависимости от природы дефектов графенового листа.
Не имела значения также и длина трещин. Все они «залечились», показав, что критическая ширина разрыва — 0,3-0,5 нанометра. Этот показатель оказался одинаковым и для изначального целого листа графена, и для того, который содержал повреждения.
Симуляция самовосстановления в искусственной коже может быть использована во множестве сфер — в том числе в сенсорах, мобильных девайсах и ультраконденсаторах.
Люди пытаются создать похожих на себя роботов с очень давних времен. Некоторые подобия роботизированных механизмов упоминаются даже в греческой мифологии — вспомните хотя бы бронзового гиганта Талоса, который охранял остров Крит. Сегодня роботы уже не являются чем-то мифическим и полноценно помогают нам выполнять разные задачи. Загибайте пальцы: в США (и не только) активно применяются роботы Boston Dynamics, в России тестируются роботы-курьеры от Яндекса, а заводы полны промышленными механизмами для сборки техники (что очень опасно). Но у всех нынешних роботов есть один минус, который заключается в том, что они совершенно не похожи на людей. Те, которые пытаются походить на живых людей, вызывают у нас тревогу — это явление называется эффектом зловещей долины. Но недавно японские ученые покрыли часть робота человеческой кожей. Звучит просто ужасно, но в будущем эта технология может сделать роботов менее пугающими.
Робот София очень похож на человека, но все равно вызывает тревогу
Настоящая кожа для роботов
Ученые и раньше пытались покрыть роботов материалами, которые напоминают кожу человека. Но разрезать и склеивать материал, не повреждая мягкие ткани — это очень сложная задача. Авторы новой научной работы пошли совершенно другим путем и просто вырастили кожу на поверхности роботизированного пальца. Действительно, выращивание кожи может быть проще, чем сшивание.
Роботизированный палец, покрытый искусственной кожей
Для выращивания кожи японские ученые сначала создали питательную среду, которая представляет собой смесь коллагена и дермальных фибробластов. Напомню, что коллаген является важным белком, который является основой соединительных тканей человека и отвечающий за их прочность и эластичность. А фибробласты — это клетки соединительной ткани человека, которые формируют внеклеточные структуры ткани и тот самый коллаген.
Стоит отметить, что на пальце даже есть что-то вроде отпечатков
Обмакнув роботизированную руку в эту смесь, ученые покрыли полученный слой кератиноцитами. Так называются основные клетки эпидермиса (наружного слоя) человеческой кожи. Конечно, можно было бы обойтись и без этого, но кератиноциты придают материалу водоотталкивающие свойства, делая его максимально похожим на настоящую кожу. Посмотрите на видео ниже — выращенная на роботизированном пальце кожа выглядит мерзко из-за обмакивания в питательной среде, но обладает почти всеми свойствами кожного покрова человека: она тянется, отталкивает воду и даже способна восстанавливаться при возвращении в питательную среду.
Без покрытия кератиноцитами, кожа становится липкой
Из-за пребывания в питательной среде, конечность выглядит слегка вспотевшей. Поскольку механизм приводится в движение электромотором, интересно слышать щелкающие звуки мотора в гармонии с пальцем, который выглядит совсем как настоящий, — поделился один из авторов научной работы Седзи Такеучи (Shoji Takeuchi).
Почему роботы не похожи на людей?
К сожалению, на данном этапе кожа не может долго существовать вне питательного раствора. Она, как и настоящая кожа, нуждается в регулярном увлажнении и получении питательных веществ. В человеческом организме этим занимаются потовые железы и система кровообращения, но у робота аналогов этих сложных систем сейчас нет. Однако, когда ученые смогут их создать, роботов действительно можно будет с ног до головы покрыть человеческой кожей.
Чтобы сделать кожу максимально реалистичной, нужно протянуть под ней сосуды
Создание искусственных сосудов, а также интеграция потовых желез в искусственную кожу, являются важными направлениями будущих исследований, — отметил инженер по тканям Митио Каваи (Michio Kawai).
Интересно, смогут ли боевые роботы заменить людей в армии? Читайте тут.
Что такое эффект зловещей долины?
Ожидается, что это новшество поможет хотя бы немного, но уменьшить эффект зловещей долины. Мы уже много раз писали об этом явлении — он возникает, когда у похожего на человека робота имеются нехарактерные для настоящих людей особенности вроде прерывистой мимики, неестественного цвета кожи и так далее. Когда человек смотрит на такого робота, у него возникает необъяснимая тревога.
Какие чувства у вас вызывает эта фотография? Есть некоторая тревога, не так ли?
Если роботы будут меньше отличаться от людей, возможно, их можно будут чаще использовать в сфере обслуживания. Они смогут не только работать официантами, но и ухаживать за пациентами в больнице и просто за пожилыми людьми или даже детьми. Конечно, для полного избавления от эффекта зловещей долины одной реалистичной кожи мало. В первую очередь людям стоило бы сделать более плавной их мимику.
Роботы, предназначенные для ухода за больными, уже существуют
Обязательно подпишитесь на нас в Дзене, потому что там выходят статьи, которых нет на сайте. Например, читайте материал про роботов, которые были полностью сделаны в России.
Что вы думаете насчет нового достижения японских ученых? Своим мнением делитесь в комментариях или нашем Telegram-чате. Лично я уверен, что созданная кожа для роботов хоть и приближает день появления роботизированных людей, но до этого дня очень далеко — в ближайшие 50 лет я их точно не жду. А вот проект Илона Маска по созданию роботов Optimus очень интригует.
В январе 2020 года исследователи из Университета Тафтса и Университета Вермонта разработали метод создания крошечных биологических машин из яиц африканской когтистой лягушки Xenopus laevis. Прозванные ксеноботами в честь своих животных предков эти «живые» машины могли передвигаться самостоятельно, толкать предметы и даже объединяться в рои. Примечательно, что для их создания ученые использовали эволюционный алгоритм, работающий на суперкомпьютере. С его помощью команда смогла протестировать тысячи потенциальных конструкций, состоящих из различных конфигураций клеток, так что никакой вам генной инженерии. Но самое потрясающее, пожалуй, заключается в том, что год спустя та же команда выпустила новую версию ксеноботов, которые не только стали быстрее, сильнее и способнее, чем когда-либо, но даже собирают собственные тела из отдельных клеток.
Из клеток лягушачьей кожи был создан микроскопический живой робот, способный исцелять и питать себя.
Как появились ксеноботы?
Итак, ксеноботы – это синтетические организмы, которые автоматически создаются компьютерами для выполнения заранее определенных задач и строятся путем объединения различных биологических тканей. Впервые мир услышал о них в начале 2020 года, но ввиду обнаружения коронавируса SARS-CoV-2, на тот момент новость не получила должного внимания. Но именно тогда тонкая грань между животным и машиной стала размытой.
Создание первых живых роботов – новость из разряда научной фантастики. Судите сами – эти крошечные машины могли выполнять множество задач и действий, включая перемещение себя и других объектов вокруг и демонстрацию коллективного поведения в составе роя таких роботов (что является невероятно сложной задачей).
Сегодня создание механизма, выполняющего задачи под управлением искусственного интеллекта не является чем-то новым. К тому же, ученые давно научились перестраивать существующие организмы, меняя их характеристики, форму или структуру. Так что все было бы очень здорово, если бы не одно «но» – все живые организмы демонстрируют устойчивость к любому вмешательству извне, нацеленному на изменение их поведения.
Материалы, традиционно применяющиеся в робототехнике просты в изготовлении и внедрении; например, металл всегда можно расплавить, заточить или перековать – в отличие от живых существ.
К счастью, существуют эмбриональные клетки, которые обладают по-настоящему удивительными свойствами: они способны к самоорганизации, регенерации тканей и процессов развития (в зависимости от ситуации). Грамотные манипуляции с эмбриональными клетками могут помочь ученым в создании новых форм жизни – каким бы удивительным нам это не казалось.
Как пишут авторы исследования, опубликованного в журнале Science Robotics, для создания ксеноботов они взяли стволовые клетки из эмбрионов лягушек и позволили им вырасти в скопления из нескольких тысяч клеток, называемых сфероидами. Через несколько дней стволовые клетки превратились в клетки кожи, покрытые маленькими волоскоподобными выступами, называемыми ресничками, которые извиваются взад и вперед.
Обычно эти структуры используются для распространения слизи по коже лягушки. Но в отрыве от своего обычного контекста они взяли на себя функцию, более похожую на ту, что наблюдается у микроорганизмов, которые используют реснички для перемещения, действуя как крошечные весла.
Продолжительность жизни подобных микроботов на основе клеток составляет от десяти до 14 дней. Они могут плавать и ходить благодаря структурам, напоминающим волоски.
«Мы наблюдаем замечательную пластичность клеточных коллективов, которые строят рудиментарное новое «тело». Оно сильно отличается от их стандартного – в данном случае лягушки – несмотря на наличие совершенно нормального генома», – пишут авторы работы в пресс-релизе исследования.
Исследователи отмечают, что этот процесс не отличается от обычного способа создания робота, просто для его создания используется биологическую ткань. «В каком-то смысле ксеноботы устроены так же, как и обычные роботы, только мы используем клетки и ткани, а не искусственные компоненты, чтобы построить форму и создать предсказуемое поведение»,-пишут авторы научной работы.
Ксеноботы 2.0
Так как строить каждого отдельного ксенобота вручную занятие явно утомительное, команда разработала новый подход, который работает снизу вверх, заставляя ксеноботов самостоятельно собирать свои тела из отдельных клеток. Этот подход более масштабируемый, а новые ксеноботы не только быстрее, живут дольше и имеют рудиментарную память, но и лучше справляются с совместной работой.
И хотя форма и функции ксеноботов были достигнуты без какой-либо генной инженерии, в дополнительном эксперименте команда ввела им РНК, которая заставила их производить флуоресцентный белок. Это, по мнению ученых, служит доказательством того, что ксеноботы могут обладать молекулярной памятью. Но зачем вообще кому-то понадобилось создавать нечто подобное?
В общем и целом, как отмечают исследователи, процессы, которые помогают формировать ксеноботов, могут рассказать нам как сформировались Homo sapiens.
Во-первых, роботы, сделанные из стволовых клеток, полностью биоразлагаемы и способны к самовосстановлению всего за пять минут (если их разрезать), во-вторых они могут воспользоваться способностью клеток обрабатывать все виды химических веществ. А значит, ксеноботам можно найти применение во всем – от терапии до экологической инженерии.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира высоких технологий и популярной науки? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не получить ничего интересного!
Ученые, в свою очередь, надеются использовать их, чтобы лучше понять процессы, которые позволяют отдельным клеткам объединяться и работать вместе. Ксеноботы могут помочь пролить свет на то, как именно клетки – такие, как те, что составляют человеческое тело – собираются вместе, чтобы сформировать единый организм, работающий как система.
«С точки зрения биологии, этот подход помогает нам понять, как клетки общаются, когда они взаимодействуют друг с другом во время развития, и как мы можем лучше контролировать эти взаимодействия» – пишут создатели ксеноботов. Как говорится, the future is here.
В январе 2020 года исследователи впервые создали роботов из клеток — это крохотные полностью программируемые живые организмы примерно 1 мм в длину. Они могут перемещаться в жидкости и переносить объекты своего размера. «Хайтек» разбирается, как создают ксеноботов и опасны ли они.
Читайте «Хайтек» в
Ксеноботы могут стать неуправляемыми устройствами, похожими на человека, или незаменимыми роботами, которые очистят океан от микропластика и доставят лекарство в нужную точку организма. Прямо сейчас исследователи по всему миру изучают ксеноботов, которые сделаны не из железа, а из плоти.
Что такое ксеноботы?
Ксеноботы — это организмы, которые создают в лаборатории: ученые собирают их и программируют на действие или алгоритм действий. Привычный робот состоит из металла и других прочных деталей, но ксеноботы — это живые клетки, которые составляют тело, подобное человеческому.
Как создают ксеноботов?
Ученые знают несколько способов создания ксеноботов. Первый — когда одноклеточные организмы меняют с помощью рефакторированных (преобразованных) геномов. Но это пока невозможно сделать в многоклеточных системах.
Второй способ — модифицировать нить клетки путем смены условий культивирования. Но тогда ксеноботов почти нельзя будет контролировать. Поэтому исследователи изучили область биоинженерии, где изучают трехмерные каркасы. Это позволит предугадать модель поведения устройств.
В январе 2020 года исследователи из Университета Тафтса и Университета Вермонта разработали метод создания ксеноботов из клеток лягушки Xenopus laevis. Эти ксеноботы могут питаться, делиться и жить всего неделю. Также они плавают, перемещают объекты и взаимодействуют в группе. Роботы сделаны из нескольких видов клеток, которые образуют кожу и сердце, они сокращаются и приводят в ксенобота в движение.
В результате получились ксеноботы разных размеров, одни продолговатой формы, вторые — как дуга. Оказалось, что внешний вид роботов влияет на их функции, поэтому авторы решили поэкспериментировать с формой.
От успешности конструкции ксенобота зависит, как он будет выполнять команды и скрещиваться. Например, если робота сделать в форме пончика с отверстием посередине, ему будет легче переносить грузы.
Как размножаются ксеноботы?
Оказалось, что ксеноботы обладают особой формой размножения. Ранее исследователи видели подобное только на молекулярном уровне, но не на клеточном. Это процесс, при котором молекулы формируют копии за счет объединения со «строительными блоками».
Ученые подчеркнули, что процессом репликации можно управлять. Используя алгоритм, команда специалистов предсказала, какие начальные формы ксеноботов могут дать наибольшее потомство.
Чтобы запустить процесс размножения, исследователи использовали ИИ — он проанализировал варианты того, как могли выглядеть роботы, чтобы улучшить качество процесса и его результат. Оптимальной оказалась С-образная форма, напоминающая Пакмана.
Зачем нам ксеноботы?
Международная группа ученых заявила, что такие роботы могут решить проблему сбора мельчайших частичек пластика в океане. Кроме этого, на ксеноботах можно тестировать лекарственные препараты.
Еще ученые считают, что на основе ксеноботов они смогут изучить глобальные изменения в процессе размножения живых организмов, чтобы научиться управлять процессом. Далее исследователи собираются сделать ксеноботов из клеток млекопитающих.
Опасны ли ксеноботы?
Ученые заявляют, что нет. Как отметила Сэм Кригман, автор исследования о первых ксеноботах, роботы будут становиться все более разумными, поэтому могут появиться этические проблемы.
Ученые также подчеркивают, что ксеноботы — это не живые организмы, а просто клетки, которые реагируют на внешние раздражители. Исследователи считают, что с роботами можно работать и это не нарушает этику.
Они добавили, что ксеноботы будут всегда вести себя безопасно для человека, так как они обитают в специальной среде, без которой сразу погибнут.
Исследования ксеноботов уникальны, так как это новая область науки. Перспектива получить неуправляемых, автономных и думающих роботов — пугает, но ученые убеждают, что все эксперименты проходят в контролируемой среде.
К тому же, успешные ксеноботы помогут в медицине и станут живыми нанохирургами, удаляющими вредоносные и патогенные клетки из организма пациента, или нанокурьерами лекарств, доставляющими их прямиком туда, где они будут эффективнее всего бороться с заболеванием.
Читайте также: