دانشمندان نخستین ربات زنده با قابلیت تولید مثل را می‌سازند


دانش و فناوری

چهارشنبه 10 آذر 1400


-Scientists-build-the-first-living-robot-with-the-ability-to-reproduce

دانشمندان موفق شدند با ساخت نخستین ربات‌های زنده که توانایی همانندسازی و تولید مثل دارند، امیدها را برای مقابله با بیماری‌هایی مانند همه‌گیری احتمالی بعدی و سرطان افزایش دهند.

ربات‌های زنده‌ی «زنوبات» (Xenobot) که با کمک هوش مصنوعی (AI) طراحی شده‌اند، شکل کاملا جدیدی از خودتکثیری بیولوژیکی را نشان می‌دهند که برای علوم پزشکی ترمیمی، امیدوارکننده است.

برای بقا، زندگی باید بازتولید شود و طی میلیاردها سال ،موجودات زنده راه‌های زیادی را برای همانندسازی تکامل داده‌اند؛ از جوانه زدن گیاهان تا حیوانات جنسی و ویروس‌های مهاجم. اکنون اما دانشمندان شکل کاملا جدیدی از تولید مثل زیستی را کشف کرده‌اند و از آن برای ایجاد نخستین ربات‌های زنده و خودتکثیرشونده بهره گرفته‌اند.

همان تیم پژوهشی که در سال ۲۰۲۰ نخستین ربات‌های زنده، یعنی زنوبات‌ها را با جمع‌آوری سلول‌های قورباغه ساخت، به‌تازگی کشف جدیدی درباره‌ی همانندسازی آن‌ها انجام داده است. این تیم دریافت که این موجودات طراحی شده توسط کامپیوتر و مونتاژ شده با دست، می‌توانند در ظرف کوچک خود شنا کنند، سلول‌های منفرد را بیابند، صدها نمونه از آن‌ها را گرد هم جمع کنند و زنوبات‌های «نوزاد» (Baby) را در داخل دهان پک‌من-مانند خود بسازند.

این نوزادان چند روز بعد تبدیل به زنوبات‌های کامل جدید می‌شوند و دقیقا شبیه به نمونه‌های اصلی به‌نظر می‌رسند و حرکت می‌کنند. سپس این ربات‌های زنده‌ی جدید می‌توانند از محدوده‌ی خود بیرون بروند، سلول‌ها را پیدا کنند و مجدد کپی‌هایی از خود بسازند. فرآیندی که دوباره و دوباره تکرار می‌شود.

نتایج تحقیقات اخیر در نشریه‌ی «مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا» (Proceedings of the National Academy of Sciences) منتشر شده است. «جاشوا بونگارد» (Joshua Bongard) دانشمند علوم رایانه و متخصص رباتیک در دانشگاه ورمونت که سرپرست این پژوهش تازه است، گفت: «با طراحی مناسب ربات، آن‌ها به‌طور خودبه‌خود تکثیر خواهند شد.»

به درون ناشناخته‌ها

در «قورباغه‌ی پنجه‌دار آفریقایی» (African Clawed Frog) یا «زنوپوس لاویس» (Xenopus Laevis) این سلول‌های بنیادین جنینی به پوست تبدیل می‌شوند. «مایکل لوین» (Michael Levin) استاد زیست‌شناسی و مدیر مرکز اکتشافات آلن در دانشگاه دانشگاه تافتز گفت: «آن‌ها در بخش بیرونی یک بچه قورباغه می‌نشینند، عوامل بیماری‌زا را دور نگه می‌دارند و مخاط را دوباره توزیع می‌کنند. اما ما آن‌ها را در یک زمینه‌ی کاملا جدید می‌گذاریم و به آن‌ها فرصت می‌دهیم تا چندسلولی بودن خود را دوباره درنظر بگیرند.»

و آنچه آن‌ها تصور می‌کنند، چیزی بسیار متفاوت از عملکرد روی پوست است. «داگلاس بلکیستون» (Douglas Blackiston) یکی از پژوهشگران این حوزه که والدین زنوبات‌ها را جمع‌آوری کرده و در پژوهش اخیر هم بخش زیستی را توسعه داده است، گفت: «مردم برای مدت طولانی فکر می‌کردند که ما تمام راه‌هایی را که حیات می‌تواند بازتولید یا تکرار شود، آزموده‌ایم. اما این چیزی است که قبلا مشاهده نشده است.»

لوین هم خاطرنشان کرد: «این موضوعی بسیار عمیق است. این سلول‌ها ژنوم یک قورباغه را دارند، اما پس از رهایی از تبدیل شدن به قورباغه، از هوش جمعی خود برای انجام کاری شگفت‌انگیز استفاده می‌کنند.»

ارگانیسم‌های طراحی شده با هوش مصنوعی سلول‌های بنیادین را می‌کنند

ارگانیسم‌های طراحی شده با هوش مصنوعی ضمن حرکت در محیط خود، سلول‌های بنیادین را جابه‌جا و هدایت می‌کنند.
Credit: Douglas Blackiston and Sam Kriegman

در آزمایش‌‌های قبلی دانشمندان شگفت‌زده بودن زنوبات‌ها می‌توانستند برای دستیابی به کارهای ساده، طراحی شوند. اکنون آن‌ها از این متحیر شده‌اند که این اشیاء زیستی، یا به عبارتی مجموعه‌ای از سلول‌ها که توسط کامپیوتر طراحی شده‌اند، به‌طور خودکار تکثیر خواهند شد.

لوین گفت: «ما ژنوم کامل و بدون تغییر قورباغه را داریم، اما هیچ اشاره‌ای به این ندارد که این سلول‌ها می‌توانند در این کار جدید، یعنی جمع‌آوری و سپس فشرده‌سازی سلول‌های منفرد برای ساخت یک کپی، با هم همکاری کنند.»

«سام کریگمن» (Sam Kriegman) نویسنده‌ی اصلی مطالعه‌ی جدید که دکترای خود را از دانشگاه ورمونت گرفته است، گفت: «این‌ها سلول‌های قورباغه‌ای هستند اما به روشی بسیار متفاوت از شیوه‌ی انجام این کار توسط قورباغه‌ها همانندسازی می‌کنند. هیچ حیوان یا گیاهی که علم شناخته است، به این شکل همانندسازی نمی‌کند.»

والد زنوبات که از حدود ۳۰۰۰ سلول ساخته شده است، به‌خودی‌خود یک کره را تشکیل می‌دهد. کریگمن گفت: «این‌ها می‌توانند بچه تولید کنند اما بعد از آن سیستم معمولا از بین می‌رود. در واقع این بسیار دشوار است که سیستم ربات‌های زنده را وادار به ادامه‌ی همانندسازی کنیم.»

اما با یک برنامه‌ی هوش مصنوعی که روی خوشه‌ی ابررایانه‌ای «دیپ گرین» (Deep Green) در هسته‌ی محاسبات پیشرفته‌ی دانشگاه ورمونت (UVM) کار می‌کرد، توسعه‌ی یک الگوریتم تکاملی توانست میلیاردها شکل بدن مانند مثلث، مربع، هرم، ستاره دریایی را در شبیه‌سازی آزمایش کند و شکل‌هایی را بیابد که به سلول امکان می‌دهند در همانندسازی جنبشی (سینماتیک) مبتنی بر حرکت، مؤثرتر عمل کند.

سلول والد در کنار نوزاد تولید شده

سلول والد نوزاد با جمع‌آوری سلول‌های بنیادین به شکل توپ، یک کپی از خود می‌سازد.
Credit: Douglas Blackiston and Sam Kriegman

کریگمن افزود: «ما از ابررایانه‌ی UVM خواستیم تا شیوه‌ی تنظیم شکل والدین را بیابد و هوش مصنوعی پس از ماه‌ها تلاش به طرح‌های عجیبی دست یافت، از جمله طرحی که شبیه پک‌من بود. این بسیار غیرشهودی است. اگرچه طرح خیلی ساده به‌نظر می‌رسد اما چیزی نیست که یک مهندس انسانی به آن بپردازد. چرا یک دهان کوچک؟ چرا پنج تا نه؟ ما نتایج را برای داگلاس بلکیستون فرستادیم و او بر پایه‌ی آن‌ها در آزمایشگاه، این والدین زنوبات به شکل پک‌من را ساخت. سپس این والدین بچه‌هایی ساختند که نوه‌ها را ایجاد کردند و در ادامه نواده‌ها تولید شدند.» به عبارت دیگر طراحی مناسب، به شکل قابل توجهی تعداد نسل‌ها را افزایش داد.

در حقیقت همانندسازی جنبشی در سطح مولکول‌ها به خوبی شناخته شده است اما قبلا هرگز در مقیاس سلول‌ها یا موجودات کامل مشاهده نشده بود و اکنون با ربات‌های زنده چنین امکانی فراهم شده است.

بونگارد استاد دانشکده‌ی مهندسی و علوم ریاضی UVM گفت: «ما کشف کردیم که این فضای قبلا ناشناخته در موجودات یا سیستم‌های زنده وجود دارد و فضای گسترده‌ای است. پس چگونه می‌توانیم آن را کاوش کنیم؟ ما زنوبات‌هایی را پیدا کردیم که راه می‌روند. زنوبات‌هایی را پیدا کردیم که شنا می‌کنند. و اکنون در این مطالعه زنوبات‌هایی را پیدا کرده‌ایم که به صورت جنبشی تکرار می‌شوند. باید دید چه چیز دیگری در این قلمرو است؟»

همان‌طور که دانشمندان در مطالعه‌ی اخیر نوشتند: «حیات رفتارهای شگفت‌انگیزی را درست زیر سطح نشان می‌دهد که منتظر کشف شدن هستند.»

شیوه‌ی همانندسازی ربات زنده

شیوه‌ی همانند سازی ربات زنده‌ی زنوبات
redit: Doug Blackiston and Sam Kriegman

پاسخ به ریسک

برخی افراد ممکن است این یافته را هیجان‌انگیز بدانند. برخی دیگر ممکن است با نگرانی یا حتی وحشت به مفهوم بیوتکنولوژی خود-تکثیرشونده واکنش نشان دهند. اما برای تیم دانشمندان هدف بعدی درک عمیق‌تر موضوع است.

بونگارد درباره‌ی توسعه‌ی ربات‌های زنده گفت: «ما در حال کار برای درک این ویژگی هستیم: همانندسازی. دنیا و فناوری‌ها به سرعت در حال تغییر هستند و برای کل جامعه مهم است که مطالعه کنیم و دریابیم که این پدیده چگونه کار می‌کند.»

این ماشین‌های زنده به اندازه‌ی میلی‌متر که کاملا در محیط آزمایشگاهی قرار دارند، به راحتی خاموش می‌شوند و توسط کارشناسان اخلاق فدرال، ایالتی و سازمانی بررسی شده‌اند.

این پژوهشگر گفت: «این‌ها چیزی نیستند که مرا نگران کنند. آنچه خطر ایجاد می‌کند، همه‌گیری بعدی است، تسریع آسیب زیست‌بوم ناشی از آلودگی است، شدت گرفتن تهدیدات ناشی از تغییرات آب‌وهوایی است.»

او افزود: «این یک سیستم ایدئال است که در آن سیستم‌های خودتکثیرشونده را مطالعه می‌کنیم. ما یک الزامات اخلاقی برای درک شرایطی را داریم که تحت آن می‌توانیم آزمایش‌ها را کنترل کنیم، هدایت کنیم، متوقف کنیم و یا توسعه دهیم.»

تیم پژوهشی دانشگاه تافتز

تیم پژوهشی این مطالعه از چپ: جاش بونگارد، مایکل لوین، داگلاس بلکیستون، سام کریگمن
Credit: Tufts and ICDO

بونگارد به همه‌گیری کرونا و ساخت واکسن اشاره کرد. او افزود: «سرعتی که با آن می‌توانیم راه حل‌ها را تولید کنیم، عمیقا اهمیت دارد. اگر بتوانیم با یادگیری از زنوبات‌ها فناوری‌هایی را توسعه دهیم، می‌توانیم به سرعت هوش مصنوعی بگوییم که یک ابزار بیولوژیکی نیاز داریم که x و y را انجام دهد و z را سرکوب کند. این می‌تواند بسیار سودمند باشد. چیزی که اکنون زمان بسیار زیادی طول می‌کشد.»

او خاطرنشان کرد: «هدف این تیم پژوهشی سرعت بخشیدن به این است که مردم چقدر سریع می‌توانند از شناسایی یک مسئله به تولید راه‌حل برسند. راه‌حل‌هایی مانند استقرار ماشین‌های زنده برای بیرون کشیدن میکروپلاستیک‌ها از آبراه‌ها یا ساخت داروهای جدید. ما باید راه‌حل‌های فناورانه ایجاد کنیم که به همان میزان چالش‌هایی که با آن‌ها سروکار داریم، رشد کنند.»

و این تیم پژوهشی در تحقیقات خود، امیدهایی برای پیشرفت در حوزه‌ی پزشکی ترمیمی می‌بیند. لوین گفت: «اگر بدانیم که چگونه به مجموعه‌ای از سلول‌ها بگوییم که کاری را که ما می‌خواهیم انجام دهند، که در نهایت همان طب ترمیمی است، این راه حلی برای آسیب‌های تروماتیک، نقایص بدو تولد، سرطان و پیری خواهد بود. همه‌ی این مشکلات گوناگون وجود دارند زیرا نمی‌دانیم چگونه گروه‌هایی از سلول‌ها را که قرار است ساخته شوند، پیش‌بینی و کنترل کنیم. اما زنوبات‌ها یک بستر جدید برای آموزش به ما هستند.»

منبع : digikalamag