SF, 08/04/2023
Por Hayley Bennett
Os cientistas estão usando materiais vivos para fazer máquinas que alguns considerariam vivas... e agora eles começaram a replicar
Quando pensamos em um robô, o que geralmente vem à mente é algum tipo de servo sintético – uma máquina revestida de metal controlada por eletrônicos. Embora possa fazer tarefas para nós e talvez até falar conosco de maneiras que parecem inteligentes, não o consideraríamos vivo.
Mas e se, em vez de construir robôs com materiais duros e sem vida, nós os construíssemos com os materiais macios dos quais a natureza depende? E se os construíssemos a partir de células?
Essa é exatamente a abordagem que os pesquisadores do laboratório do professor Josh Bongard, da Universidade de Vermont, nos Estados Unidos, estão adotando.
Nos últimos quatro anos, eles projetaram e criaram 'xenobots': máquinas em miniatura feitas de células vivas de sapo.
Bongard explica a abordagem da equipe: “[Se você] fizer um robô de metal e plástico … as peças em si não têm inteligência.
Estamos abordando a robótica de uma maneira completamente diferente. Estamos construindo a partir de componentes que são máquinas fantasticamente inteligentes."
A natureza tem inspirado a robótica por décadas. Isso levou a atuadores baseados em músculos reais que permitem que os robôs se movam com mais facilidade. Em outros lugares, almofadas que imitam os pés das lagartixas permitem que os robôs escalem o vidro vertical. Os xenobots, por outro lado, são feitos de blocos de construção da própria natureza.
De acordo com a Dra. Victoria Webster-Wood, especialista em robôs de inspiração biológica da Carnegie Mellon University, esse tipo de abordagem “nos permite aproveitar diretamente a adaptabilidade natural dos materiais vivos”.
O que é fascinante sobre os xenobots de Bongard é que eles podem ser feitos de células normais retiradas de embriões de rãs – sem necessidade de ajustes genéticos.
Embora os cientistas já soubessem que essas células poderiam se mover por conta própria, neste caso elas estão sendo usadas como materiais para gerar comportamentos previsíveis semelhantes a robôs, como agrupar partículas em torno de uma placa de Petri, cooperar como cães pastores e até dar à luz bolas de outras células. que podem ser considerados como bebês xenobot.
Seleção artificial
Embora não esteja claro o que há no funcionamento interno dos xenobots, ou melhor, nas células do sapo, que os fazem se comportar dessa maneira, suas capacidades os tornam potencialmente úteis para todos os tipos de tarefas.
A limpeza de microplásticos, por exemplo, ou, como os pesquisadores descreveram em seu primeiro artigo sobre os xenobots, publicado em 2020, rastejando até o local de tecidos doentes em humanos para ajudar a restaurá-los à saúde.
Então, se você vai fazer um xenobot, por onde começar? Bem, a equipe de Vermont começa em uma placa de Petri virtual, em um computador, onde um programa de inteligência artificial (IA) 'evolui' grupos de células de sapo, com base em sua forma, para realizar qualquer tarefa em que os cientistas estejam interessados.
“Ele cria uma população de xenobots virtuais, exclui aqueles que fazem um trabalho ruim e faz cópias modificadas aleatoriamente dos sobreviventes”, explica Bongard.
Os cientistas dizem à IA quantas rodadas desse processo de seleção artificial devem ser concluídas e, em apenas alguns segundos, eles têm seu design.
Por exemplo, esse desenho pode ser uma bola de células com um buraco no meio, como uma bolsa, que funciona bem para transportar objetos.
É o processo de design baseado em IA que é a “verdadeira obra-prima” da abordagem da equipe, de acordo com o Dr. Falk Tauber, especialista em tecnologia bioinspirada da Universidade de Freiberg, na Alemanha.
Sem a placa de Petri virtual, observa ele, testar centenas de configurações diferentes de células poderia levar semanas ou até meses usando células reais.
“Isso não apenas representa uma imensa vantagem de tempo, mas também oferece a oportunidade de implementar apenas as abordagens mais promissoras que se mostraram bem-sucedidas [no computador]”, diz ele.
Ele sugere que a abordagem de IA também pode ser útil em outros cenários – como o design rápido de transplantes de órgãos personalizados que se ajustam com precisão à anatomia de um paciente.
Em seguida, vem a parte demorada, pois os designs virtuais precisam ser transferidos para as células da vida real. É um processo que leva o único escultor xenobot da equipe, o biólogo Dr. Doug Blackiston, baseado na Tufts University, Massachusetts, horas para cada xenobot em escala milimétrica.
Usando instrumentos de microcirurgia, Blackiston esculpe meticulosamente a forma projetada pela IA em tecido colhido de embriões de sapo.
“Para mim, é muito parecido com desenhar ou trabalhar com arte”, diz ele, acrescentando que gosta de ver as formas se juntarem.
No entanto, ele admite que, para os xenobots encontrarem aplicações no mundo real, eles precisarão acelerar o processo para criar mais do que os atuais 30 a 40 xenobots por semana. Esse avanço pode vir da impressão 3D, que pode usar células e tecidos como “tintas” de impressão.
Empurrando para progredir
Os xenobots passam pouco mais de uma semana rastejando ou nadando em volta de um prato antes de se desintegrarem (como não comem, sua vida útil é limitada).
Em seus experimentos originais, os pesquisadores criaram xenobots 'ambulantes' a partir de combinações de células do coração e da pele; a ação semelhante a um pistão das células cardíacas traduzida em movimento.
Agora, porém, eles usam células da pele, aproveitando o batimento de estruturas parecidas com pelos chamadas cílios, que se projetam da superfície externa das bolas de células, permitindo que elas “nadem”.
Depois de ver inicialmente seus movimentos, os pesquisadores pensaram que os xenobots poderiam ser capazes de empurrar as coisas, embora se perguntassem se os xenobots seriam fortes o suficiente.
“Comecei com partículas de corante muito leves, espalhadas no fundo da placa de Petri como uma fina camada de cinzas ou neve”, diz Blackiston. “Por acaso tive sorte na primeira tentativa e funcionou.” Os xenobots também podiam empurrar pequenas contas de vidro.
Depois que os pesquisadores progrediram para fazer os xenobots nadadores, eles começaram a dar a enxames deles coisas mais interessantes para se movimentar, como células – as mesmas células das quais os próprios robôs em miniatura são compostos.
Foi então que algo intrigante começou a acontecer: o enxame começou a amontoar as células em pequenas pilhas. As células da rã são pegajosas, então as pilhas tendem a ficar juntas e, alguns dias depois, os pelos começaram a aparecer em sua superfície – cílios, assim como na superfície dos xenobots.
“E então”, diz Bongard, “Doug [Blackiston] notou que alguns deles começaram a se mover.”
Nesse ponto, ficou claro que os xenobots estavam fazendo mais de si mesmos. Não era um tipo de cenário tradicional 'faça sexo, faça um bebê', mas era uma forma de replicação que nunca havia sido vista na natureza.
De acordo com Blackiston, ele sabia que o experimento funcionaria se conseguisse as condições certas. Mas isso não o tornou menos emocionante quando ele mostrou pela primeira vez a Bongard e à equipe uma das 'crianças' se movendo em uma chamada do Zoom.
“Ficou um mudo na ligação – os biólogos, os cientistas da computação”, lembra Bongard. “Você sabe, a auto-replicação é uma espécie de sonho e uma esperança [para] as máquinas em geral e vê-la … me surpreendeu completamente.”
Quando os pesquisadores perceberam que seus xenobots poderiam se auto-replicar, eles disseram à sua IA para desenvolver versões que pudessem fazê-lo melhor.
A IA começou a trabalhar, projetando uma forma que parecia bastante familiar: Pac-Man, ou como Bongard coloca "uma pá, basicamente", o que faz sentido quando você está fazendo seus bebês empilhando pedaços deles - você pode veja uma imagem disso abaixo.
O fato de os xenobots agora serem capazes de se autorreplicar abre todo um conjunto de aplicações potenciais, diz Bongard, devido ao que ele chama de “utilidade exponencial”.
O conceito se aplica a qualquer tecnologia que faça algo útil e se torne mais útil à medida que se espalha. A limpeza ambiental é um bom exemplo, assim como as vacinas ou tecnologias que possam apagar incêndios florestais. Essas tecnologias não se espalham por conta própria, portanto, elas podem se beneficiar de uma operadora auto-replicante para ajudá-las.
Embora tudo isso seja apenas uma teoria, os pesquisadores mostraram por meio de modelagem de computador que, se alimentassem os xenobots com células suficientes e continuassem a se replicar, os xenobots usariam para uma aplicação mais simples, como mover fios em um circuito, continuariam a funcionar. crescer.
Se os xenobots auto-replicantes soam como o tipo de cenário de filme de ficção científica que devemos evitar, o que devemos lembrar é que os bots pais só podem produzir descendentes sob certas circunstâncias, que, como Webster-Wood aponta, os pesquisadores controlam.
Sem acesso a células flutuantes adicionais, elas não podem se replicar. Além disso, os xenobots da equipe são biodegradáveis e "morrem" em questão de dias.
Como Tauber coloca, “esses pequenos robôs celulares estão alojados com segurança nos laboratórios da equipe de Bongard e não poderiam 'viver' no mundo exterior”.
Na verdade, 'viver' não é um rótulo que Tauber aplicaria a eles, precisamente porque sua sobrevivência depende de tais condições específicas.
Bongard, porém, acredita que junto com outras tecnologias – como os biohíbridos que combinam componentes orgânicos e tecnológicos – os xenobots estão começando a borrar a linha entre o vivo e o não-vivo, reacendendo o debate sobre o que é a vida.
Enquanto isso, o comportamento dos xenobots gerou outras questões. Por exemplo, os pesquisadores não sabem se os xenobots estão realmente cooperando quando empurram células e outros objetos juntos.
Eles são capazes de sentir um ao outro através dos milhões de receptores diferentes que existem na superfície das células vivas? Ou eles estão apenas se movendo sem pensar como brinquedos de corda?
Outra questão intrigante, é claro, é se os robôs biológicos também poderiam ser feitos de células humanas – e se é um caminho que a equipe planeja seguir.
Certamente está na lista de tarefas, de acordo com Bongard. “Sabe, células de sapo e humanas divergiram não faz muito tempo, quando você pensa sobre a história evolutiva total das células”, ele reflete, sugerindo que, em princípio, deveria funcionar.
Xenobots de células humanas seriam mais compatíveis com aplicações médicas, embora houvesse um longo caminho para aprová-los.
Enquanto isso, os pesquisadores querem descobrir mais sobre o que há na biologia subjacente das células do sapo que as faz se comportar como o fazem.
Eles esperam aprender como manipular melhor os materiais vivos para criar máquinas melhores. Isso é algo que a IA deles está descobrindo, mas ainda não pode se comunicar com eles. “Estamos pedindo à IA para fazer máquinas, mas a repercussão disso é que, ao longo do caminho, a IA está aprendendo cada vez mais sobre biologia”, diz Bongard.
Uma parte fundamental do trabalho, acrescenta ele, é fazer com que a IA explique o que aprendeu sobre biologia de volta para “nós, pobres humanos”.
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Fonte:https://www.sciencefocus.com/future-technology/ai-xenobots/amp/
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