Estos investigadores usaron IA para diseñar un 'robot animal' completamente nuevo

Los "xenobots" son robots autopropulsados ​​que nadan y viven, que miden menos de un milímetro de ancho. Son desarrollados por inteligencia artificial y construidos a partir de células madre de rana, y podrían abrir nuevas fronteras médicas.

TRANSCRIPCIÓN:

sam kriegman: Son un robot autopropulsado de natación viviente que mide menos de un milímetro de ancho.

Doug Blackiston : Así que algunas personas realmente tenían mucho miedo de la tecnología. Es algo nuevo que nunca habían visto antes. Otras personas estaban realmente entusiasmadas con el potencial para tratar una serie de enfermedades diferentes en humanos.

mike levin: Escuché la idea de que este tipo de trabajo se llama jugar a Dios, pero recibo llamadas telefónicas todas las semanas de personas con las condiciones más desgarradoras, y todas ellas están esperando nueva ciencia para tratar de mejorar la vida de todos. .

jose bongard : ¿Son robots? ¿no es así? ¿Son organismos? ¿no es así? Nos están obligando a desdibujar las distinciones anteriores que podrían permitirnos ver el mundo de una manera nueva.

Kriegman: Los xenobots están diseñados por computadoras y los construimos en el mundo real a partir de tejidos vivos reales.

Levin : Los llamamos bots por dos razones: la rana de la que están hechas estas células se llama Xenopus Laevis. De ahí viene el xeno. Bot significa robot porque esta es una plataforma de biorrobótica profundamente interesante.

bongard : No hay control remoto oculto a un lado. Están hechos de células genéticamente no modificadas, pero han sido creados por IA. Y definitivamente no son un animal normal.

Ritu Raman : Solo en las últimas décadas, los conocimientos de la biología se han incorporado a la ingeniería y viceversa. Muchas de las primeras aplicaciones en el campo estaban muy enfocadas en la medicina, así que pensamos en cómo juntamos células para hacer tejidos u órganos de reemplazo para aplicaciones médicas. Pero luego también comenzaron a emocionarse más, bueno, tal vez podríamos construir cosas que aún no existen en la naturaleza.

Blackiston : Y si llevas eso al extremo, de ahí es de donde realmente surgió este proyecto de biobot. ¿Puedes juntar células y construir un organismo sintético desde cero?

Levin : En realidad es un nuevo tipo de ingeniería, que es una colaboración con tu material. Cuando trabaja con células y tejidos, está trabajando con un material que en realidad tiene su propia agenda. Tiene preferencias, tiene la capacidad de resolver cierto tipo de problemas. No se comporta de la forma en que se comportan la madera y el metal cuando sabes exactamente lo que va a hacer.

bongard: Esta nueva idea de construir robots a partir de células vivas parecía muy, muy difícil.

Blackiston: Nuestra investigación colaborativa en este proyecto comenzó alrededor de 2017.

Kriegman : El plan original era reunir a científicos informáticos y biólogos del desarrollo en la misma sala con algunos fondos para trabajar juntos y tratar de crear sistemas de inteligencia artificial y robots que pudieran funcionar en el mundo real, inspirándose en la biología, que es tan adaptado. Pero no había nada sobre construir robots a partir de células de rana. En ese momento, estábamos diseñando criaturas virtuales dentro de una computadora, robots blandos que podían cortar parte de su cuerpo y se deformarían para recuperar su funcionalidad.

Blackiston : Mientras realizábamos el estudio, había estado observando los modelos simulados del Dr. Bongard y el Dr. Kriegman. Pero las cosas que estaban construyendo en su simulador se parecían mucho a las cosas que podríamos construir con células de rana. Entonces, ¿podríamos construir algún tipo de facsímil biológicamente?

Kriegman : No estaba muy seguro de que eso fuera a ser posible. Podría haber ignorado a Doug y haber dicho, ya sabes, seguro, ve a intentar hacer eso.

Levin : Cuando Doug dijo por primera vez que podía hacer las diversas formas que crearon Josh y Sam, no tenía ninguna duda de que podía, porque estas células están realmente motivadas para trabajar juntas para construir algo. Pueden adaptarse a todo tipo de cambios, todo tipo de perturbaciones experimentales para realmente hacer su trabajo. Por ejemplo, creó renacuajos con ojos en la cola y demostró que estas células podían ver.

Blackiston : Eso me interesó en esta idea de modularidad o piezas de un animal que se pueden mover como Lego y volver a colocar en otro lugar. Y si llevas eso al extremo, es tomar las piezas del desarrollo de Frog y construir algo completamente nuevo desde cero. Entonces, cuando dije que esto es posible, creo que probablemente creyeron que era una broma. Y realmente, eso es para un científico arrojando el guante. Así que ahora debo construirlo, ¿verdad? Les mostraré que esta tecnología existe.

bongard: Sin que nosotros lo supiéramos, Doug pasó la semana juntando cuidadosamente tejido de rana bajo el microscopio para tratar de construir una de las creaciones de Sam.

Kriegman : Honestamente, no estaba muy seguro de lo que estaba viendo al principio. Si esto fuera solo una especie de truco de fiesta, pero fue completamente inesperado. Y comenzamos a darnos cuenta de que si realmente podemos copiar el movimiento que vimos en la simulación, entonces podríamos diseñar estos sistemas en el simulador y hacerlos realidad. Y eso fue muy emocionante.

bongard : Doug tiene un talento fantástico, pero aun así le lleva unas 4 horas crear un xenobot del tamaño de un milímetro. Resulta que la IA puede hacer miles de millones de diseños candidatos durante horas, días o semanas en una supercomputadora que es mucho más eficiente para encontrar diseños interesantes y útiles que Doug puede construir.

Kriegman : Este tipo de proceso de diseño se inspira en la evolución darwiniana y la selección natural y lo aplica a los robots. Lo que sucede es que suministramos a la computadora estos bloques de construcción. Tenemos un bloque y se contrae y se expande. Esto está simulando el tejido del corazón, y tenemos otro bloque que son solo células de rana pasivas. E inicialmente, la computadora ensambla aleatoriamente los bloques en un montón de diseños aleatorios, y luego proporcionamos un objetivo de comportamiento. ¿Qué debe hacer el sistema?

bongard : En el primer experimento, lo que empezamos fue que queríamos una máquina de tamaño milimétrico que caminara por el fondo de una placa de Petri. Básicamente, la supercomputadora elimina las criaturas de bajo rendimiento y crea copias aleatoriamente modificadas de los sobrevivientes.

Kriegman : Y durante muchas generaciones, esta población de diseños de robots mejora en el objetivo. Puedes evolucionar sus formas, sus propiedades materiales, sus sistemas de control. Y esto nos permite atravesar miles de millones de años de evolución al mismo tiempo.

bongard: Pero eventualmente recuperamos el puñado de campeones para ver cuál, si es que alguno de ellos puede convertirse en realidad.

Blackiston : Todas las semanas, Sam me proporciona un modelo de formas que realizan una función particular, básicamente un plano, casi como si estuviera ensamblando muebles o Lego. Así que todo comienza con un embrión de rana en desarrollo que tiene 24 horas. Y en esta etapa, todas las células siguen siendo células madre. Las células STEM pueden convertirse en cualquier cosa como la piel o un órgano interno.

Pero tenemos un atlas que mapea estas diferentes regiones del embrión. Y así, en el transcurso de las próximas 24 horas, con mucho cuidado, con herramientas de microcirugía, cosecho diferentes partes del embrión y las recolecto en diferentes montones. Entonces estas células son naturalmente pegajosas. Entonces, si toma células madre sueltas y las junta en una pila, se adhieren en una esfera con el tiempo.

Entonces, si eres muy astuto y muy cuidadoso y tienes muy buenas habilidades motoras finas, ahora puedes tomar la esfera que tiene todo tipo de tejidos diferentes adentro y esculpirla para revelar alguna forma de la forma en que esculpir un pedazo de madera. Creo que existe la idea errónea de que toda la biología es una disciplina dura y rigurosa y que no existe la creatividad, la belleza o el arte.

Es increíblemente asombroso y relajante mirar por el ocular y construir algo que nadie ha visto antes. Pero también es importante para la ciencia generar formas que no se producirían naturalmente.

bongard : Y nos llevó otro año más o menos poder defender eso. Hubo una coincidencia entre los algoritmos evolutivos, los sueños o los diseños y lo que estábamos obteniendo en la realidad. En el momento en que tuvimos esos primeros datos, me levanté de mi escritorio, mis manos temblaban y absorbí las implicaciones de que esto era posible.

Levin : Cuando vi estas criaturas por primera vez, me quedé absolutamente impresionado. Tienen movimiento espontáneo, se juntan y tienen interacciones muy complejas en grupo. Pueden curarse a sí mismos. Entonces, si corta uno casi por la mitad, se cerrará y eso es solo el comienzo.

Blackiston : Así que los primeros diseños que construí en el laboratorio estaban impulsados ​​por el corazón. Así que estas son células del corazón. Y a través de las contracciones estos caminaron.

Kriegman: Pero eventualmente cambiamos a cilios.

Blackiston: Entonces estas son pequeñas estructuras parecidas a cabellos en el exterior del cuerpo.

Kriegman : Produce un movimiento mucho más rápido. Y usando cilios, permite que el robot nade en lugar de gatear. Y Doug, tratando de visualizar el movimiento de los xenobots que construyó, colocó partículas de tinte en el fondo del plato. Y lo que notamos fue que tienden a crear montones, lo que nos llevó a la idea de que podrían diseñarse para ser mejores y mejores excavadoras.

Blackiston : Y ese es un comportamiento interesante que se puede aprovechar para todo tipo de trabajo mecánico interesante. Pero Mike Levin tuvo la idea de lo que sucedería si estas partículas fueran reemplazadas por células madre. Así que este es el material del que están hechos los biobots.

Kriegman : Y si los xenobots hicieran montones de células lo suficientemente grandes, esos montones podrían convertirse en pequeñas excavadoras para niños. Entonces, a diferencia de cualquier otro sistema vivo que conocemos, los xenobots no se reproducen a través del crecimiento. Les damos materiales de construcción adicionales y, como un robot en un almacén, se mantienen unidos como materiales para construir una copia de sí mismos.

Blackiston: Entonces, solo al comenzar la primera generación con forma de C, las esferas que se crearon fueron mucho más grandes, lo que creó una descendencia más grande y nos permitió obtener las cinco o seis generaciones.

bongard : No queremos una autorreplicación descontrolada. Eso es algo peligroso. Pero para un especialista en robótica, darse cuenta de que los xenobots podrían autorreplicarse es un gran problema porque los especialistas en robótica han estado tratando de crear máquinas autorreplicantes durante mucho tiempo. Parece que cuando haces esto con materiales vivos, de repente es mucho más fácil.

Blackiston: Lo que más me tomó por sorpresa en todo este proyecto fue la respuesta del público.

bongard : Muchos de los medios globales vieron esto como un gran avance, que fue seguido por una gran cantidad de opiniones en las redes sociales. Miedo, paranoia, excitación.

Blackiston : Simplemente se volvió loco. Recibíamos tweets, publicaciones de Instagram y noticias de países de todo el mundo.

bongard: Los xenobots podrían escapar del laboratorio y replicarse fuera de control.

Levin : Ahora, mucha gente dirá, bueno, esto no es algo natural o las llamadas cosas que no deberían ser creadas. Pero realmente tenemos que entender la ética de esto, al igual que cualquier otro experimento biológico, es realmente crítico pensar antes de hacer algo.

carolyn neuhaus : Cuando leí por primera vez artículos sobre xenobots, mi respuesta como bioeticista fue que me resulta muy difícil verlos como moralmente diferentes a otros tejidos en un plato. Entiendo que son diferentes de las células que normalmente cultivamos porque se les ha asignado una tarea. Cualquier manipulación que ocurra aún no afecta la forma en que un animal interactúa con el medio ambiente.

Siempre debería estar en nuestro radar que las personas podrían hacer cosas nefastas con el conocimiento producido o las tecnologías que se utilizan en esta investigación. Pero eso no es a lo que la gente reacciona cuando el público lee que hay un robot hecho de células. No creo que la gente se equivoque al pensar Oh, eso me recuerda a Frankenstein.

No es sorprendente que la gente continúe volviendo a ese tropo de científicos que crean cosas en el laboratorio que no pueden controlarse porque es algo que está constantemente en la cultura pop. Está en el tipo de imaginario social que informa nuestras creencias y nuestras opiniones. Una vez más, no va a suceder en este caso, pero creo que la falta de claridad y certeza sobre lo que se ha creado exactamente definitivamente genera una reacción negativa entre las personas que leen sobre el tema.

Entonces, no hay consenso científico sobre la definición de organismo, y no hay consenso sobre qué es un robot. La ambigüedad acerca de los términos produce entonces una incertidumbre moral y una ambigüedad moral. ¿Que está pasando aqui? ¿Qué es? Entonces está mal que esa sea la última palabra. Es una entrada en el cálculo de lo que le debemos a la criatura que hemos creado.

¿Cuáles son los tipos de salvaguardas y supervisión que deberíamos tener en la investigación? ¿Y a dónde vamos desde allí? Es la conversación que debe ocurrir en este punto.

Levin : Realmente pienso en la vieja historia de Adán nombrando a los animales en el Jardín del Edén. Es la idea de que tenemos que averiguar qué criterios vamos a utilizar para establecer nuestra relación con estos otros seres. Y desde esa perspectiva. Este es el primer paso hacia una nueva ciencia de encontrar realmente la esencia de nuevos tipos de organismos sintéticos por robótica que van a ser muy abundantes. Y en las próximas décadas, estarán a nuestro alrededor.

raman : Hay bastantes desafíos que todavía tenemos que abordar en este campo. Soy profesor de ingeniería mecánica en el MIT, y en mi laboratorio analizamos específicamente cómo podemos construir máquinas que llamamos biohíbridas porque son en parte biológicas y en parte hechas de materiales sintéticos. Los robots biológicos que estamos construyendo funcionan con tejido muscular para que cada vez que el músculo se contraiga, puedas obtener algo que parezca movimiento.

El tejido muscular real que se parece a una gelatina rosa como una banda de goma se formó utilizando estas células de músculo esquelético de ratón que habíamos modificado genéticamente para que cuando encendiéramos luz azul sobre ellas, el músculo se contrajera. Lo que realmente estamos pensando en este momento es cómo tomamos todos estos otros tipos de células como las neuronas motoras y luego hacemos que las neuronas crezcan en el músculo y formen conexiones funcionales que pueden activar o desactivar partes del músculo. Podríamos usar potencialmente eso para programar un grupo de células madre en cualquier tipo de forma.

Levin : La respuesta a esta pregunta: qué tipo de señales podemos dar a estas células para que hagan algo diferente es realmente la puerta de entrada a una mejora profunda en la salud humana. Defectos de nacimiento, lesión traumática, cáncer, enfermedad degenerativa. Todas estas cosas podrían resolverse si tuviéramos la capacidad de decirle a las células qué construir. Una vez que entendamos cómo funciona esto, podemos probarlo en xenobots demostrando que podemos hacer que las células construyan cualquier estructura que queramos, y eso irá directamente hacia la medicina regenerativa dentro de los cuerpos, cazando células cancerosas para su reparación regenerativa.

Y seamos claros. No creo que en realidad nadie, por supuesto, hecho de células de rana vaya a estar en cuerpos humanos. Pero a medida que avanzamos hacia la medicina humana, el siguiente paso será fabricarlos a partir de mamíferos y, finalmente, a partir de las propias células del paciente.

raman : Hacer un robot totalmente biológico que pueda entrar en el cuerpo y realizar alguna tarea funcional para restaurar la salud de alguien. Su calidad de vida ciertamente está dentro del ámbito de la posibilidad. Pero al final del día, queremos robots que puedan abordar un montón de problemas diferentes.

bongard: Somos optimistas de que podemos crear una IA cada vez más poderosa que sueñe con biobots cada vez más complejos, útiles, tal vez de uso general.

Kriegman: Entonces, el próximo paso obvio desde la perspectiva de la robótica es agregar sensores para que puedan acercarse o alejarse de un estímulo.

Herrero : Nos gustaría diseñar el sistema para que responda de manera inteligente a señales ambientales de todo tipo. Entonces, podría imaginarse crear bio robots centinelas que detecten contaminantes en el medio ambiente, y luego los recupere y tenga una lectura biológica de lo que está sucediendo en la vía fluvial local.

bongard : También tenemos un montón de desafíos tecnológicos por delante. Lo que nos gustaría hacer, para bien o para mal, es reemplazar a Doug con una instalación de biofabricación que pueda producir millones o posiblemente miles de millones de biobots. Eso podría permitirnos ampliar esta tecnología. Pero creo que su implicación más importante a largo plazo es que son nuevos instrumentos científicos. Son un nuevo tipo de telescopio o microscopio.

Herrero: Entonces tenemos un programa de investigación completamente separado que se deriva de esto para comprender realmente algunas de las reglas básicas que usan las células para ensamblarse, para tratar enfermedades humanas.

Levin: Y luego, por supuesto, vamos a tratar de aumentar sus capacidades cognitivas preguntando, ¿qué se necesita para que una colección de células navegue mejor por los problemas en varios espacios?

Kriegman : ¿Cómo pasamos de una bola de motores a una bola u otra forma de sensores, memoria y motores? Y entonces tal vez podamos lograr algo que pueda aprender y exhibir una cognición de nivel superior.

bongard: Eso nos va a ayudar a entender los fundamentos de la inteligencia neurológica.

Levin :Piénsalo. Todos fuimos organismos unicelulares alguna vez. Éramos bacterias antes de eso. Y ahora tú y yo nos sentimos como una inteligencia integrada y centralizada con nuestros propios recuerdos, esperanzas y preferencias. No hubo un momento en el que un relámpago mágico dijera: Vale, antes eras solo química y física, pero bum, ahora eres una criatura cognitiva. Eso no sucede.

No podemos hacer retroceder la cinta de la vida en la Tierra, pero podemos crear xenobots para preguntarnos cómo funcionan juntas las subunidades pequeñas y competentes para formar una mente más grande. Ese es quizás el rompecabezas más profundo que enfrentamos.

Herrero: A veces parece que hay algo de magia involucrada en el proceso de diseño, y puede parecer bastante grande a medida que estas preguntas comienzan a convertirse en programas de investigación cada vez más grandes.

Levin : Hay tantas preguntas aquí que realmente van más allá de los límites conocidos, ya que están rompiendo todas nuestras definiciones de organismo, de animal, de robot. Ninguno de estos términos es apropiado ahora en sus significados originales. Pero ciertamente estamos al borde de muchas incógnitas aquí. Es muy emocionante.

Kriegman: La IA no solo puede diseñar partes de sistemas biológicos como las proteínas, sino que puede diseñar tipos completamente nuevos de organismos que se vean y actúen de manera completamente diferente a cualquier otra cosa que haya existido en la Tierra.

bongard: La madre naturaleza ha estado trabajando aquí en el planeta Tierra durante 3.500 millones de años y, a pesar de su inmensa capacidad creativa, solo ha explorado una parte muy, muy, muy pequeña del morfo-espacio, el espacio de todos los organismos posibles Sería hermoso y es hermoso y maravilloso abrir más los ojos, para comprender no solo la vida tal como es, sino comprender la vida como podría ser.