Diese Forscher nutzten KI, um einen völlig neuen „Tierroboter“ zu entwerfen

„Xenobots“ sind lebende, schwimmende, selbstangetriebene Roboter mit einer Größe von weniger als einem Millimeter. Sie werden durch künstliche Intelligenz entwickelt und aus Froschstammzellen hergestellt – und sie könnten neue medizinische Grenzen eröffnen.

TRANSKRIPT:

Sam Kriegman: Sie sind lebende, schwimmende, selbstangetriebene Roboter mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter.

Doug Blackiston : Also einige Leute hatten wirklich große Angst vor der Technologie. Es ist etwas Neues, das sie noch nie zuvor gesehen haben. Andere waren wirklich begeistert von der Möglichkeit, eine Reihe verschiedener Krankheiten beim Menschen zu behandeln.

Mike Levin: Ich habe die Idee gehört, dass diese Art von Arbeit ein sogenanntes „Gott spielen“ sei, aber ich bekomme jede Woche Anrufe von Menschen mit den schlimmsten Erkrankungen, und alle warten auf neue wissenschaftliche Erkenntnisse, um zu versuchen, das Leben für alle zu verbessern .

Josh Bongard : Sind sie Roboter? Sind sie es nicht? Sind sie Organismen? Sind sie es nicht? Sie zwingen uns, bisherige Unterscheidungen zu verwischen, die es uns ermöglichen könnten, die Welt auf eine neue Art und Weise zu sehen.

Kriegmann: Die Xenobots werden von Computern entworfen und wir haben sie in der realen Welt aus echten lebenden Geweben gebaut.

Levin : Wir nennen diese aus zwei Gründen Bots: Der Frosch, aus dem diese Zellen bestehen, heißt Xenopus Laevis. Daher kommt das Xeno. Bot bedeutet Roboter, weil es sich um eine äußerst interessante Biorobotik-Plattform handelt.

Bongard : Es gibt keine seitlich versteckte Fernbedienung. Sie bestehen aus genetisch unveränderten Zellen, wurden jedoch von KI erstellt. Und sie sind definitiv kein normales Tier.

Ritu Raman : Erst in den letzten Jahrzehnten sind Erkenntnisse aus der Biologie in die Ingenieurwissenschaften eingeflossen und umgekehrt. Viele der ersten Anwendungen auf diesem Gebiet konzentrierten sich stark auf die Medizin. Daher wurde darüber nachgedacht, wie wir Zellen zusammenfügen, um Ersatzgewebe oder Organe für medizinische Anwendungen herzustellen. Aber dann fingen sie auch an, sich mehr darüber zu freuen, vielleicht könnten wir Dinge bauen, die es in der Natur noch nicht gibt.

Blackiston : Und wenn man das auf die Spitze treibt, ist das der eigentliche Ursprung dieses Biobot-Projekts. Können Sie Zellen zusammenfügen und von Grund auf einen synthetischen Organismus aufbauen?

Levin : Es ist eigentlich eine neue Art der Technik, die eine Zusammenarbeit mit Ihrem Material darstellt. Wenn Sie mit Zellen und Geweben arbeiten, arbeiten Sie mit einem Material, das eigentlich seine eigenen Ziele verfolgt. Es hat Vorlieben, es hat die Fähigkeit, bestimmte Arten von Problemen zu lösen. Es verhält sich nicht so wie Holz und Metall, wenn man genau weiß, was es tun wird.

Bongard: Diese brandneue Idee, Roboter aus lebenden Zellen zu bauen, schien wirklich, wirklich schwierig zu sein.

Blackiston: Unsere gemeinsame Forschung zu diesem Projekt begann etwa 2017.

Kriegman : Der ursprüngliche Plan bestand darin, Informatiker und Entwicklungsbiologen im Rahmen einer Finanzierung an einen Tisch zu bringen, um gemeinsam an der Entwicklung von KI-Systemen und Robotern zu arbeiten, die in der realen Welt funktionieren und sich dabei von der Biologie inspirieren lassen, was auch so ist adaptiv. Aber es ging nicht darum, Roboter aus Froschzellen zu bauen. Damals entwarfen wir virtuelle Kreaturen im Inneren eines Computers, weiche Roboter, denen man einen Teil ihres Körpers abschneiden konnte und die sich verformen würden, um ihre Funktionalität wiederherzustellen.

Blackiston : Während wir die Studie durchführten, beobachtete ich die simulierten Modelle von Dr. Bongard und Dr. Kriegman. Aber die Dinge, die sie in ihrem Simulator bauten, sahen den Dingen, die wir mit Froschzellen bauen konnten, wirklich ähnlich. Könnten wir also biologisch eine Art Faksimile bauen?

Kriegmann : Ich war mir nicht wirklich sicher, ob das möglich sein würde. Vielleicht hätte ich Doug abgewiesen und gesagt, wissen Sie, klar, versuchen Sie es mal.

Levin : Als Doug zum ersten Mal sagte, dass er die verschiedenen Formen herstellen könne, die Josh und Sam geschaffen haben, hatte ich keinen Zweifel daran, dass er das kann, denn diese Zellen sind wirklich motiviert, zusammenzuarbeiten, um etwas zu bauen. Sie können sich auf alle möglichen Veränderungen und experimentellen Störungen einstellen, um ihre Arbeit wirklich zu erledigen. Er schuf beispielsweise Kaulquappen mit Augen am Schwanz und zeigte, dass diese Zellen sehen konnten.

Blackiston : Das hat mein Interesse an der Idee der Modularität oder der Teile eines Tieres geweckt, die wie Lego bewegt und an anderer Stelle wieder befestigt werden können. Und wenn man das auf die Spitze treibt, bedeutet das, dass man aus den Einzelteilen der Froschentwicklung etwas völlig Neues von Grund auf aufbaut. Und als ich sagte, dass dies möglich sei, dachten sie wahrscheinlich, es sei ein Witz. Und das bedeutet wirklich, dass ein Wissenschaftler den Fehdehandschuh hinwirft. Jetzt muss ich es also bauen, oder? Ich werde ihnen zeigen, dass diese Technologie existiert.

Bongard: Unbemerkt von uns verbrachte Doug die Woche damit, unter dem Mikroskop sehr sorgfältig Froschgewebe zusammenzusetzen, um zu versuchen, eine von Sams Kreationen zu bauen.

Kriegman : Ehrlich gesagt war ich mir zunächst nicht ganz sicher, was ich da sah. Das war zwar nur eine Art Partytrick, aber es kam völlig unerwartet. Und uns wurde klar, dass wir diese Systeme im Simulator entwerfen und in die Realität umsetzen könnten, wenn wir die Bewegung, die wir in der Simulation gesehen haben, tatsächlich kopieren können. Und das war sehr aufregend.

Bongard : Doug ist unglaublich talentiert, aber er braucht immer noch etwa 4 Stunden, um einen Xenobot in der Größe eines Millimeters zu erschaffen. Es stellt sich heraus, dass KI stunden-, tage- oder wochenlang Milliarden und Abermilliarden von Kandidatenentwürfen auf einem Supercomputer erstellen kann, was bei der Suche nach interessanten, nützlichen Entwürfen, die Doug bauen kann, viel effizienter ist.

Kriegman : Diese Art von Designprozess lässt sich von der darwinistischen Evolution und der natürlichen Selektion inspirieren und wendet sie auf Roboter an. Was passiert, ist, dass wir den Computer mit diesen Bausteinen versorgen. Wir haben einen Block, der sich zusammenzieht und ausdehnt. Dies simuliert Herzgewebe, und wir haben einen weiteren Block, der nur aus passiven Froschzellen besteht. Und zunächst setzt der Computer die Blöcke nach dem Zufallsprinzip zu einer Reihe zufälliger Designs zusammen, und dann geben wir ein Verhaltensziel vor. Was soll das System tun?

Bongard : Beim allerersten Experiment wollten wir eine millimetergroße Maschine, die über den Boden einer Petrischale läuft. Im Grunde löscht der Supercomputer die leistungsschwachen Kreaturen und erstellt zufällig veränderte Kopien der Überlebenden.

Kriegman : Und über viele Generationen hinweg wird diese Population von Roboterdesigns immer besser, wenn es um das Ziel geht. Sie können ihre Formen, ihre Materialeigenschaften und ihre Kontrollsysteme weiterentwickeln. Und das ermöglicht es uns, Milliarden von Jahren der Evolution auf einmal zu durchlaufen.

Bongard: Aber irgendwann bekommen wir die Handvoll Champions zurück, um zu sehen, welche davon, wenn überhaupt, in die Realität umgesetzt werden können.

Blackiston : Jede Woche stellt mir Sam ein Modell von Formen zur Verfügung, die eine bestimmte Funktion erfüllen, im Grunde eine Blaupause, fast so, als würde man Möbel oder Lego zusammenbauen. Alles beginnt also mit einem sich entwickelnden Froschembryo, der 24 Stunden alt ist. Und zu diesem Zeitpunkt sind alle Zellen noch Stammzellen. Stammzellen können so etwas wie Haut oder ein inneres Organ werden.

Aber wir haben einen Atlas, der diese verschiedenen Regionen des Embryos kartiert. Und so entnehme ich im Laufe der nächsten 24 Stunden sehr sorgfältig mit mikrochirurgischen Instrumenten verschiedene Teile des Embryos und sammle sie in verschiedenen Stapeln. Diese Zellen sind also von Natur aus klebrig. Nimmt man also lose Stammzellen und legt sie zu einem Haufen zusammen, so verkleben sie mit der Zeit zu einer Kugel.

Wenn Sie also sehr geschickt und sehr vorsichtig sind und über sehr gute Feinmotorik verfügen, können Sie jetzt die Kugel, in deren Inneren sich alle möglichen unterschiedlichen Gewebe befinden, nehmen und sie so formen, dass eine Form entsteht, so wie Sie ein Stück davon wegmodellieren würden Holz. Ich denke, dass es ein Missverständnis gibt, dass die gesamte Biologie eine harte, rigorose Disziplin sei und dass es weder Kreativität noch Schönheit noch Kunstfertigkeit gäbe.

Es ist unglaublich erstaunlich und entspannend, durch das Okular zu schauen und etwas zu bauen, das noch nie jemand gesehen hat. Für die Wissenschaft ist es aber auch wichtig, Formen zu erzeugen, die auf natürliche Weise nicht entstehen würden.

Bongard : Und es hat noch etwa ein Jahr gedauert, bis wir das verteidigen konnten. Es gab eine Übereinstimmung zwischen den evolutionären Algorithmen, Träumen oder Entwürfen und dem, was wir in der Realität bekamen. In dem Moment, als wir diese ersten Daten hatten, stand ich mit zitternden Händen von meinem Schreibtisch auf und nahm einfach die Schlussfolgerung auf, dass dies möglich war.

Levin : Als ich diese Kreaturen zum ersten Mal sah, war ich völlig überwältigt. Sie haben spontane Bewegungen, sie versammeln sich und haben in einer Gruppe wirklich komplexe Interaktionen. Sie können sich selbst heilen. Wenn Sie also eines fast in zwei Hälften schneiden, lässt es sich wieder zusammenziehen, und das ist erst der Anfang.

Blackiston : Die ersten Designs, die ich im Labor gebaut habe, waren also herzgesteuert. Das sind also Herzzellen. Und durch Wehen gingen diese.

Kriegman: Aber irgendwann sind wir auf Zilien umgestiegen.

Blackiston: Es handelt sich also um kleine haarartige Strukturen an der Außenseite des Körpers.

Kriegman : Es erzeugt Bewegungen, die viel schneller sind. Und mithilfe von Flimmerhärchen kann der Roboter schwimmen statt kriechen. Und Doug versuchte, sich die Bewegung der Xenobots vorzustellen, die er gebaut hatte, und platzierte Farbstoffpartikel auf dem Boden der Schüssel. Und was uns auffiel, war, dass sie dazu neigen, Häufchen zu bilden. was uns auf die Idee brachte, sie als immer bessere Bulldozer zu entwickeln.

Blackiston : Und das ist ein interessantes Verhalten, das für alle möglichen interessanten mechanischen Arbeiten genutzt werden kann. Aber Mike Levin hatte die Idee, was passieren würde, wenn diese Partikel durch Stammzellen ersetzt würden. Das ist also das Material, aus dem die Biobots selbst bestehen.

Kriegmann : Und wenn die Xenobots ausreichend große Zellhaufen bilden würden, könnten sich diese Haufen selbst zu Bulldozern für kleine Kinder formen. Im Gegensatz zu allen anderen uns bekannten lebenden Systemen vermehren sich die Xenobots also nicht durch Wachstum. Wir geben ihnen zusätzliche Baumaterialien und wie ein Roboter in einem Lagerraum kleben sie als Materialien zusammen, um eine Kopie ihrer selbst zu bauen.

Blackiston: Indem wir also die erste Generation als C-Form begannen, waren die Kugeln, die geschaffen wurden, viel größer, was zu größeren Nachkommen führte und es uns ermöglichte, fünf bis sechs Generationen zu bekommen.

Bongard : Wir wollen keine unkontrollierte Selbstreplikation. Das ist eine gefährliche Sache. Aber für einen Robotiker ist die Erkenntnis, dass Xenobots sich selbst reproduzieren könnten, eine große Sache, denn Robotiker versuchen schon seit sehr langer Zeit, sich selbst reproduzierende Maschinen zu entwickeln. Es scheint, dass es plötzlich viel einfacher ist, wenn man dies mit lebenden Materialien macht

Blackiston: Was mich bei diesem gesamten Projekt am meisten überrascht hat, war die öffentliche Reaktion.

Bongard : Viele globale Medien betrachteten dies als einen großen Durchbruch, dem eine massive Meinungsäußerung in den sozialen Medien folgte. Angst, Paranoia, Aufregung.

Blackiston : Es ist einfach wild geworden. Wir erhielten Tweets, Instagram-Posts und Nachrichten aus Ländern auf der ganzen Welt.

Bongard: Die Xenobots könnten aus dem Labor entkommen und sich unkontrolliert vermehren.

Levin : Nun, viele Leute werden sagen: Nun ja, das sind keine natürlichen oder sogenannten Dinge, die nicht erschaffen werden sollten. Aber wir müssen die Ethik dahinter wirklich verstehen, genau wie bei jedem anderen biologischen Experiment ist es sehr, sehr wichtig, darüber nachzudenken, bevor man etwas unternimmt.

Carolyn Neuhaus : Als ich zum ersten Mal Artikel über Xenobots las, war meine Antwort als Bioethiker, dass es mir sehr schwer fällt, diese als moralisch anders zu betrachten als andere Gewebe in einer Schüssel. Ich verstehe, dass sie sich von Zellen unterscheiden, die wir normalerweise kultivieren, weil ihnen eine Art Aufgabe übertragen wurde. Jegliche Manipulation hat noch keinen Einfluss darauf, wie ein Tier mit der Umwelt interagiert.

Wir sollten uns immer darüber im Klaren sein, dass Menschen mit dem gewonnenen Wissen oder den Technologien, die in dieser Forschung verwendet werden, schändliche Dinge anstellen könnten. Aber das ist nicht die Reaktion der Menschen, wenn die Öffentlichkeit liest, dass es einen Roboter aus Zellen gibt. Ich glaube nicht, dass die Leute irgendwie falsch liegen, wenn sie denken: Oh, das erinnert mich an Frankenstein.

Es ist nicht verwunderlich, dass Menschen immer wieder zu dem Bild zurückkehren, dass Wissenschaftler im Labor Dinge erschaffen, die nicht kontrolliert werden können, denn das ist ein Phänomen, das in der Popkultur ständig verbreitet ist. Es handelt sich um eine Art soziales Imaginäres, das unsere Überzeugungen und Meinungen prägt. Auch in diesem Fall wird es nicht passieren, aber ich denke, dass der Mangel an Klarheit und Gewissheit darüber, was genau geschaffen wurde, definitiv eine negative Reaktion bei den Leuten hervorruft, die darüber lesen.

Es besteht also kein wissenschaftlicher Konsens über die Definition des Begriffs „Organismus“ und es besteht auch kein Konsens darüber, was ein Roboter ist. Die Mehrdeutigkeit der Begriffe führt dann zu einer moralischen Unsicherheit und einer moralischen Ambiguität. Was ist denn hier los? Was ist es? Dann ist es falsch, wenn das das letzte Wort ist. Es ist ein Input für die Berechnung dessen, was wir dem Geschöpf, das wir erschaffen haben, schulden?

Welche Arten von Schutzmaßnahmen und Aufsicht sollten wir bei der Forschung haben? Und wohin gehen wir von dort aus? Ist das Gespräch, das an dieser Stelle stattfinden muss?

Levin : Ich denke wirklich an die alte Geschichte, in der Adam den Tieren im Garten Eden Namen gab. Es geht darum, dass wir herausfinden müssen, nach welchen Kriterien wir unsere Beziehung zu diesen anderen Wesen aufbauen. Und aus dieser Perspektive. Dies ist der erste Schritt in Richtung einer neuen Wissenschaft, die mithilfe der Robotik wirklich die Essenz neuer Arten synthetischer Organismen herausfinden soll, von denen es sehr viele geben wird. Und in den kommenden Jahrzehnten werden sie überall um uns herum sein.

Raman : Es gibt noch einige Herausforderungen, die wir in diesem Bereich bewältigen müssen. Ich bin Professor für Maschinenbau am MIT und in meinem Labor untersuchen wir speziell, wie wir Maschinen bauen können, die wir Biohybrid nennen, weil sie teils biologisch und teils aus synthetischen Materialien bestehen. Die biologischen Roboter, die wir bauen, werden durch Muskelgewebe angetrieben, so dass jedes Mal, wenn sich der Muskel zusammenzieht, etwas entsteht, das wie eine Bewegung aussieht.

Das eigentliche Muskelgewebe, das wie ein rosafarbenes, geleeartiges Gummiband aussieht, wurde aus diesen Skelettmuskelzellen von Mäusen gebildet, die wir gentechnisch so verändert hatten, dass sich der Muskel zusammenziehen würde, wenn wir sie mit blauem Licht bestrahlen. Worüber wir gerade wirklich nachdenken, ist, wie wir all diese anderen Zelltypen wie Motoneuronen nehmen und dann die Neuronen dazu bringen können, in den Muskel hineinzuwachsen und funktionale Verbindungen zu bilden, die Teile des Muskels ein- oder ausschalten können. Wir könnten sie möglicherweise nutzen dass man einen Klumpen Stammzellen in jede beliebige Form bringen kann.

Levin : Die Antwort auf diese eine Frage: Welche Art von Signalen könnten wir diesen Zellen geben, um sie dazu zu bringen, etwas anderes zu tun, ist tatsächlich das Tor zu einer tiefgreifenden Verbesserung der menschlichen Gesundheit. Geburtsfehler, traumatische Verletzungen, Krebs, degenerative Erkrankungen. All diese Probleme könnten gelöst werden, wenn wir Zellen sagen könnten, was sie aufbauen sollen. Sobald wir verstehen, wie das funktioniert, können wir es in Xenobots testen, indem wir zeigen, dass wir Zellen dazu bringen können, beliebige Strukturen aufzubauen, und das wird direkt in die regenerative Medizin im Körper einfließen, indem wir Krebszellen für die regenerative Reparatur aufspüren.

Und seien wir klar. Ich glaube natürlich nicht, dass irgendjemand, der aus Froschzellen besteht, tatsächlich im menschlichen Körper sein wird. Aber auf dem Weg zur Humanmedizin wird der nächste Schritt darin bestehen, diese aus Säugetierzellen und schließlich auch aus den eigenen Zellen eines Patienten herzustellen.

Raman : Einen vollständig biologischen Roboter bauen, der in den Körper eindringen und eine funktionelle Aufgabe erfüllen könnte, um die Gesundheit eines Menschen wiederherzustellen. Ihre Lebensqualität liegt durchaus im Bereich des Möglichen. Aber am Ende des Tages wollen wir Roboter, die eine ganze Reihe unterschiedlicher Probleme lösen können.

Bongard: Wir sind optimistisch, dass wir eine immer leistungsfähigere KI schaffen können, die sich immer komplexere, nützlichere, vielleicht universellere Biobots ausdenkt.

Kriegman: Aus Sicht der Robotik besteht der offensichtliche nächste Schritt darin, Sensoren hinzuzufügen, damit sie sich auf einen Reiz zu oder von diesem weg bewegen können.

Schmied : Wir möchten das System so konstruieren, dass es intelligent auf Umwelteinflüsse aller Art reagiert. Man könnte sich also vorstellen, Wächter-Bioroboter zu entwickeln, die Schadstoffe in der Umwelt aufspüren, sie dann zurückholen und eine biologische Anzeige darüber erhalten, was in der örtlichen Wasserstraße vor sich geht.

Bongard : Wir haben auch eine ganze Reihe technologischer Herausforderungen vor uns. Was wir im Guten wie im Schlechten gerne tun würden, ist, Doug durch eine Biofabrik zu ersetzen, die Millionen oder möglicherweise Milliarden von Biobots produzieren kann. Das könnte es uns ermöglichen, diese Technologie zu erweitern. Aber ich denke, ihre wichtigste langfristige Auswirkung besteht darin, dass es sich um neue wissenschaftliche Instrumente handelt. Sie sind eine neue Art von Teleskop oder Mikroskop.

Schmied: Und deshalb haben wir ein ganz eigenes Forschungsprogramm, das darauf aufbauend ist, um wirklich einige der Grundregeln zu verstehen, nach denen sich Zellen zusammensetzen und um menschliche Krankheiten zu behandeln.

Levin: Und dann werden wir natürlich versuchen, ihre kognitiven Fähigkeiten zu verbessern, indem wir fragen: Was ist nötig, um eine Ansammlung von Zellen besser in der Lage zu machen, Probleme in verschiedenen Räumen zu bewältigen?

Kriegman : Wie kommen wir von einer bloßen Kugel aus Motoren zu einer Kugel oder einer anderen Form aus Sensoren, Gedächtnis und Motoren? Und dann können wir vielleicht etwas erreichen, das lernen und eine höhere Erkenntnisebene zeigen kann.

Bongard: Das wird uns helfen, die Grundlagen der neurologischen Intelligenz zu verstehen.

Levin :Denk darüber nach. Wir waren alle einst einzellige Organismen. Davor waren wir Bakterien. Und jetzt fühlen Sie und ich uns wie eine integrierte, zentralisierte Intelligenz mit unseren eigenen Erinnerungen, Hoffnungen und Vorlieben. Es gab keine Zeit, in der ein magischer Blitz sagte: „Okay, vorher warst du nur Chemie und Physik, aber bumm, jetzt bist du ein kognitives Wesen.“ Das passiert nicht.

Wir können das Band des Lebens nicht auf die Erde zurückrollen, aber wir können Xenobots erschaffen, um zu fragen, wie kleine, kompetente Untereinheiten zusammenarbeiten, um einen größeren Geist zu erschaffen. Das ist vielleicht das größte Rätsel, vor dem wir stehen.

Schmied: Es fühlt sich manchmal so an, als sei etwas Magisches im Designprozess involviert, und es kann ziemlich groß erscheinen, wenn diese Fragen beginnen, sich in immer größere Forschungsprogramme zu verwandeln.

Levin : Es gibt hier so viele Fragen, die wirklich über bekannte Grenzen hinausgehen, da sie selbst alle unsere Definitionen von Organismen, Tieren und Robotern zunichte machen. Keiner dieser Begriffe ist in seiner ursprünglichen Bedeutung aktuell. Aber wir stehen hier mit Sicherheit vor vielen Unbekannten. Es ist sehr aufregend.

Kriegman: KI kann nicht nur Teile biologischer Systeme wie Proteine ​​entwerfen, sondern sie kann ganz neue Arten von Organismen entwerfen, die völlig anders aussehen und sich verhalten als alles andere, was es bisher auf der Erde gab.

Bongard: Mutter Natur arbeitet seit 3,5 Milliarden Jahren hier auf dem Planeten Erde und hat trotz ihrer immensen kreativen Fähigkeiten nur einen sehr, sehr, sehr kleinen Teil des Morphoraums, des Raums aller möglichen Organismen, erforscht. Es wäre wunderschön und es ist schön und wundersam, unsere Augen weiter zu öffnen, um das Leben nicht nur so zu verstehen, wie es ist, sondern auch, wie es sein könnte.