Cuando pensamos en un robot, lo que generalmente nos viene a la mente es algún tipo de sirviente sintético: una máquina revestida de metal controlada por electrónica. Si bien puede hacer tareas por nosotros y tal vez incluso hablarnos de manera que parezca inteligente, no lo consideraríamos vivo.

Pero, ¿y si, en lugar de construir robots con materiales duros y sin vida, los construyéramos con los materiales blandos de los que depende la naturaleza? ¿Y si los construimos a partir de células?

Este es exactamente el enfoque que están tomando los investigadores del laboratorio del profesor Josh Bongard en la Universidad de Vermont en los EE. UU.

Durante los últimos cuatro años, han estado diseñando y creando ‘xenobots’: máquinas en miniatura hechas de células vivas de rana.

Bongard explica el enfoque del equipo: “[Si] haces un robot de metal y plástico… las piezas en sí mismas no tienen inteligencia.

“Nos estamos acercando a la robótica de una manera completamente diferente. Estamos construyendo a partir de componentes que en sí mismos son máquinas fantásticamente inteligentes”.

La naturaleza ha inspirado la robótica durante décadas. Ha conducido a actuadores basados ​​en músculos reales que permiten que los robots se muevan más fácilmente. En otros lugares, las almohadillas que imitan los pies de los geckos permiten a los robots escalar cristales verticales . Los xenobots, por el contrario, están hechos de los propios bloques de construcción de la naturaleza.

Según la Dra. Victoria Webster-Wood , experta en robots de inspiración biológica de la Universidad Carnegie Mellon, este tipo de enfoque “nos permite aprovechar directamente la adaptabilidad natural de los materiales vivos”.

Lo fascinante de los xenobots de Bongard es que pueden fabricarse a partir de células normales extraídas de embriones de rana, sin necesidad de ajustes genéticos.

Aunque los científicos ya sabían que estas células podían moverse por sí mismas, en este caso se están utilizando como materiales para generar comportamientos predecibles similares a los de los robots, como arrear partículas alrededor de una placa de Petri, cooperar como perros pastores e incluso formar bolas de nacimiento de otras células. que podrían ser considerados como bebés xenobot.

Seleccion artificial

Si bien no está claro qué es lo que ocurre en el funcionamiento interno de los xenobots, o más bien en las células de rana, que los hace comportarse de esta manera, sus capacidades los hacen potencialmente útiles para todo tipo de tareas.

Limpiar microplásticos, por ejemplo, o, como describieron los investigadores en su primer artículo sobre los xenobots , publicado en 2020, arrastrarse al sitio de tejidos enfermos en humanos para ayudar a restaurar su salud.

Entonces, si vas a hacer un xenobot, ¿por dónde empiezas? Bueno, el equipo de Vermont comienza en una placa de Petri virtual, en una computadora, donde un programa de inteligencia artificial (IA) ‘evoluciona’ grupos de células de rana, en función de su forma, para realizar cualquier tarea en la que estén interesados ​​los científicos.

Xenobots en placa de Petri
Un grupo de xenobots “ordenando” una placa de Petri moviendo los escombros y recogiéndolos en una pila © Sam Kriegman

“Crea una población de xenobots virtuales, elimina los que hacen un mal trabajo y crea copias modificadas aleatoriamente de los sobrevivientes”, explica Bongard.

Los científicos le dicen a la IA cuántas rondas de este proceso de selección artificial debe completar y, en solo unos segundos, tienen su diseño.

Como ejemplo, ese diseño podría ser una bola de celdas con un agujero en el medio, como una bolsa, que funciona bien para transportar objetos.

El proceso de diseño basado en IA es la “verdadera obra maestra” del enfoque del equipo, según el Dr. Falk Tauber , un experto en tecnología bioinspirada de la Universidad de Freiberg en Alemania.

Sin la placa de Petri virtual, señala, probar cientos de configuraciones de celdas diferentes podría llevar semanas o incluso meses usando celdas reales.

“Esto no solo representa una inmensa ventaja de tiempo, sino que también brinda la oportunidad de implementar solo los enfoques más prometedores que han demostrado ser exitosos en [la computadora]”, dice.

Sugiere que el enfoque de IA también podría ser útil en otros escenarios, como el diseño rápido de trasplantes de órganos personalizados que se ajusten con precisión a la anatomía de un paciente.

Luego viene la parte que consume mucho tiempo, ya que los diseños virtuales deben transferirse a las celdas de la vida real. Es un proceso que le lleva al único escultor de xenobots del equipo, el biólogo Dr. Doug Blackiston , con sede en la Universidad de Tufts, Massachusetts, horas para cada xenobot de escala milimétrica.

Usando instrumentos de microcirugía, Blackiston esculpe minuciosamente la forma diseñada por la IA en tejido extraído de embriones de rana.

“Para mí, es muy parecido a dibujar o trabajar en el arte”, dice, y agrega que le gusta ver cómo se unen las formas.

Sin embargo, admite que para que los xenobots encuentren aplicaciones del mundo real, necesitarán acelerar el proceso para crear más de los actuales 30 o 40 xenobots por semana. Ese avance podría provenir de la impresión 3D, que puede utilizar células y tejidos como “tintas” de impresión.

Empujando para progresar

Luego, los xenobots pasan un poco más de una semana arrastrándose o nadando alrededor de un plato antes de desintegrarse (como no comen, su vida útil es limitada).

En sus experimentos originales, los investigadores crearon xenobots ‘andantes’ a partir de combinaciones de células del corazón y de la piel; la acción de pistón de las células del corazón traducida en movimiento.

Ahora, sin embargo, usan células de la piel, aprovechando las estructuras parecidas a pelos llamadas cilios, que sobresalen de la superficie exterior de las bolas de células, lo que les permite “nadar”.

Después de ver inicialmente sus movimientos, los investigadores pensaron que los xenobots podrían ser capaces de empujar cosas, aunque se preguntaron si los xenobots serían lo suficientemente fuertes.

“Empecé con partículas de tinte muy ligeras, esparcidas por el fondo de la placa de Petri como una fina capa de ceniza o nieve”, dice Blackiston. “Tuve suerte en el primer intento y funcionó”. Los xenobots también podrían empujar diminutas cuentas de vidrio.

Después de que los investigadores progresaron para hacer los xenobots nadadores, comenzaron a darles enjambres de cosas más interesantes para moverse, como células, las mismas células de las que están compuestos los robots en miniatura.

Fue entonces cuando comenzó a suceder algo intrigante: el enjambre comenzó a empujar las células en pequeños montones. Las células de rana son pegajosas, por lo que las pilas tienden a permanecer juntas y luego, unos días después, comenzaron a aparecer pelos en su superficie: cilios, al igual que en la superficie de los xenobots.

“Y luego”, dice Bongard, “Doug [Blackiston] notó que un par de ellos comenzaron a moverse”.

En este punto, estaba claro que los xenobots estaban haciendo más de sí mismos. No era un tipo de escenario tradicional de ‘tener sexo, hacer un bebé’, pero era una forma de replicación que nunca se había visto en la naturaleza.

Según Blackiston, sabía que el experimento funcionaría si lograba las condiciones adecuadas. Pero eso no lo hizo menos emocionante cuando mostró por primera vez a Bongard y al equipo uno de los ‘niños’ moviéndose en una llamada de Zoom.

“No hubo respuesta a la llamada: los biólogos, los informáticos”, recuerda Bongard. “Sabes, la autorreplicación es una especie de sueño y una esperanza [para] las máquinas en general y verlo… me dejó completamente alucinado”.

Cuando los investigadores se dieron cuenta de que sus xenobots podían autorreplicarse, le dijeron a su IA que desarrollara versiones que pudieran hacerlo mejor.

La IA se puso a trabajar, diseñando una forma que parecía bastante familiar: Pac-Man, o como dice Bongard, “básicamente una pala”, lo cual tiene sentido cuando haces a tus bebés amontonando pedazos de ellos en montones. ver una imagen de esto a continuación.

xenobots
© Sam Kriegman

El hecho de que los xenobots ahora sean capaces de autorreplicarse abre un conjunto completo de aplicaciones potenciales, dice Bongard, debido a lo que él llama “utilidad exponencial”.

El concepto se aplica a cualquier tecnología que hace algo útil y se vuelve más útil cuanto más se difunde. La limpieza ambiental es un buen ejemplo, así como las vacunas o las tecnologías que podrían apagar los incendios forestales. Sin embargo, estas tecnologías no se propagan por sí solas, por lo que podrían beneficiarse de un portador de autorreplicación para ayudarlos.

Aunque todo esto es solo una teoría, los investigadores demostraron a través del modelado por computadora que si alimentaban a los xenobots con suficientes células y continuaban replicándose, entonces los xenobots se usarían para una aplicación más simple, como mover cables en un circuito, continuarían. crecer.

Si los xenobots autorreplicantes suenan como el tipo de escenario de película de ciencia ficción que debemos evitar, lo que hay que recordar es que los bots principales solo pueden producir descendencia bajo ciertas circunstancias, que, como señala Webster-Wood, los investigadores controlan.

Sin acceso a células flotantes adicionales, no pueden replicarse en absoluto. Además, los xenobots del equipo son biodegradables y ‘mueren’ en cuestión de días.

Como dice Tauber, “Estos pequeños robots celulares están alojados de forma segura en los laboratorios del equipo de Bongard y no podrían ‘vivir’ en el mundo exterior”.

De hecho, ‘vivir’ no es una etiqueta que Tauber les aplicaría en absoluto, precisamente porque su supervivencia depende de tales condiciones específicas.

Sin embargo, Bongard cree que, junto con otras tecnologías, como los biohíbridos que combinan componentes orgánicos y tecnológicos, los xenobots están empezando a desdibujar la línea entre lo vivo y lo no vivo, reavivando el debate sobre qué es la vida.

Mientras tanto, el comportamiento de los xenobots ha generado otras preguntas. Por ejemplo, los investigadores no saben si los xenobots están realmente cooperando cuando empujan células y otros objetos juntos.

¿Son capaces de detectarse entre sí a través de los millones de receptores diferentes que existen en la superficie de las células vivas? ¿O simplemente se mueven sin pensar como juguetes de cuerda?

Otra pregunta intrigante, por supuesto, es si los robots biológicos también podrían fabricarse a partir de células humanas, y si es una ruta que el equipo planea tomar.

Ciertamente está en la lista de tareas pendientes, según Bongard. “Sabes, las células de rana y humana divergieron no hace mucho tiempo, cuando piensas en la historia evolutiva total de las células”, reflexiona, sugiriendo que, en principio, debería funcionar.

Los xenobots de células humanas serían más compatibles con las aplicaciones médicas, aunque habría un largo camino para aprobarlos.

Mientras tanto, los investigadores quieren descubrir más sobre qué es lo que hay en la biología subyacente de las células de rana que hace que se comporten como lo hacen.

Esperan aprender a manipular mejor los materiales vivos para crear mejores máquinas. Eso es algo que su IA está averiguando, pero aún no puede comunicárselo. “Le estamos pidiendo a la IA que fabrique máquinas, pero la repercusión de eso es que, en el camino, la IA está aprendiendo más y más sobre biología”, dice Bongard.

Una parte clave del trabajo, agrega, es hacer que la IA explique lo que ha aprendido sobre biología a “nosotros, los pobres humanos”.