[ad_1]
Khoảng
Hầu hết các công nghệ được làm từ thép, bê tông, hóa chất và nhựa, bị suy giảm theo thời gian và có thể tạo ra các tác dụng phụ sinh thái và sức khỏe có hại. Do đó, sẽ rất hữu ích khi xây dựng các công nghệ sử dụng vật liệu tự làm mới và tương thích sinh học, trong đó các ứng cử viên lý tưởng là chính hệ thống sống. Do đó, ở đây chúng tôi trình bày một phương pháp thiết kế các máy sinh học hoàn toàn từ đầu: máy tính tự động thiết kế các máy mới trong mô phỏng, và các thiết kế tốt nhất sau đó được chế tạo bằng cách kết hợp các mô sinh học khác nhau. Điều này cho thấy những người khác có thể sử dụng phương pháp này để thiết kế nhiều loại máy sống để đưa thuốc vào bên trong cơ thể con người một cách an toàn, giúp khắc phục môi trường hoặc mở rộng hiểu biết của chúng ta về các dạng và chức năng đa dạng mà cuộc sống có thể áp dụng.
Một sinh vật được thiết kế bằng máy tính (CDO), với thiết kế màu đỏ / xanh lá cây từ hình ảnh trên, đi dưới kính hiển vi.
Các phương thức AI tự động thiết kế các dạng sống ứng cử viên đa dạng trong mô phỏng (hàng trên cùng) để thực hiện một số chức năng mong muốn và sau đó các thiết kế có thể chuyển được tạo ra bằng bộ công cụ xây dựng dựa trên tế bào để nhận ra các hệ thống sống (hàng dưới) với các hành vi dự đoán.
Tài liệu kỹ thuật
Kriegman, S. *, Blackiston, D. *, Levin, M., Bongard, J. (2020)
Một đường ống có thể mở rộng để thiết kế các sinh vật có thể cấu hình lại
Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) tập. 117 không. 2, trang. -?.
* Đồng tác giả đầu tiên.
Câu hỏi thường gặp
Q: Bức tranh lớn ở đây là gì – chỉ là về robot được tạo ra từ tế bào ếch?
A: Câu hỏi lớn ở đây là: làm thế nào các tế bào hợp tác với Xây dựng cơ quan chức năng phức tạp? Làm thế nào để họ biết những gì cần xây dựng và những tín hiệu nào họ trao đổi để cho phép họ xây dựng chúng? Điều này rất quan trọng không chỉ để hiểu sự tiến hóa của hình dạng cơ thể và các chức năng của bộ gen, mà còn cho tất cả các y sinh. Bên cạnh bệnh truyền nhiễm, khá nhiều vấn đề khác của y học sôi sục trong việc kiểm soát giải phẫu. Nếu chúng ta có thể tạo dạng sinh học 3D theo yêu cầu, chúng ta có thể sửa chữa các khuyết tật bẩm sinh, tái lập trình các khối u thành mô bình thường, tái tạo sau chấn thương hoặc bệnh thoái hóa và đánh bại lão hóa (như các sinh vật tái sinh cao như Planaria). Sinh học tế bào gốc và chỉnh sửa bộ gen không tự mình giải quyết vấn đề này. Vẫn chưa biết những tế bào nào có khả năng tạo ra ngoài mô hình cơ thể mặc định bình thường của chúng, và những cỗ máy sống tổng hợp này là một nền tảng hộp cát tiện lợi để thực hiện những khám phá cơ bản. Chúng tôi đã tạo ra những tế bào ếch bình thường, với bộ gen ếch bình thường. Cơ thể của chúng trông và hành động hoàn toàn khác với ếch, và có thể làm như vậy mặc dù thực tế là những con vật này có thể không có lịch sử tiến hóa về áp lực chọn lọc, chúng sẽ thưởng cho chúng vì hành vi này (chúng là tế bào da đã được sử dụng cho hàng triệu nhiều năm ngồi lặng lẽ trên bề mặt của một con ếch và tránh xa mầm bệnh). Khi chúng ta tìm hiểu làm thế nào các tế bào có thể được thúc đẩy để xây dựng các cấu trúc cụ thể, điều này sẽ không chỉ có tác động lớn đến y học tái tạo (xây dựng các bộ phận cơ thể và tạo ra sự tái sinh), nhưng các nguyên tắc tương tự sẽ dẫn đến robot, hệ thống truyền thông tốt hơn và có thể mới (không phải thần kinh) nền tảng AI. Mục tiêu dài hạn ở đây là tìm hiểu làm thế nào các tác nhân sống (tế bào) có thể được thúc đẩy để xây dựng những thứ cụ thể, và làm thế nào để khai thác tính dẻo và năng lực của chúng để làm những việc quá khó để trực tiếp vi mô (như xây dựng mắt, tay, Vân vân.). Đây cũng là một phần trong nỗ lực quan trọng cho tương lai của xã hội và công nghệ: việc thuần hóa các hậu quả không lường trước được từ các hiện tượng phức tạp với kết quả nổi bật đáng ngạc nhiên – để hiểu cách quản lý bầy đàn và tập thể của các tác nhân tích cực hướng tới kết quả có lợi. Bài viết này chỉ là nghiên cứu đầu tiên trong tiến trình nghiên cứu, mở rộng công việc hướng tới các ứng dụng trong y sinh, robot và hình thái tổng hợp.
Q: Những loại mô sinh học nào được sử dụng để xây dựng các sinh vật do máy tính thiết kế?
A: Da ếch (màu xanh lá cây trong hình trên) ). Cả hai đều có nguồn gốc từ các tế bào được thu hoạch từ phôi phôi Xenopus laevis giai đoạn blastula. Những mô này phát triển tự nhiên lông mao (lông vẫy cho phép bơi), nhưng lông mao đã được loại bỏ trong cơ thể màu xanh lá cây / đỏ để tạo ra một sinh vật đi bộ (thay vì bơi).
Q: Các sinh vật to / nhỏ như thế nào?
A: Sinh vật có màu đỏ / xanh lá cây trong hình trên là khoảng 0,7 mm.
Q: Chúng đã được sử dụng để làm gì?
A: Cho đến nay chúng tôi đã chế tạo các sinh vật được thiết kế bằng máy tính để đi bộ, bơi, đẩy / mang vật làm việc cùng nhau theo nhóm.
Q: Tại sao những thứ này được coi là sinh vật?
A: Chúng sống trong vòng 7 ngày, sau đó chúng ngừng hoạt động (một tính năng tích cực về mặt an toàn cho các cấu trúc sinh học tổng hợp). Mặc dù, giống như số lượng lớn các sinh vật trên Trái đất, chúng không chứa não, chúng thể hiện hành vi chức năng, có thể tự chữa lành nếu bị hư hại và làm việc tập thể. Họ có thể sinh sản, nhưng có những sinh vật xuất hiện tự nhiên cũng có thể (hoặc ví dụ như con la). Các cỗ máy sống tổng hợp thúc đẩy các nhà sinh vật học phát triển các định nghĩa sâu hơn và khắt khe hơn về những gì mà một sinh vật của Hồi giáo là. Câu hỏi về những gì chính xác làm cho một sinh vật (đưa ra nhiều sinh vật mang thuộc địa, đồng bộ, microbiome được tìm thấy trong thế giới tự nhiên) không phải là một câu hỏi dễ; nhưng những thứ này cho thấy loại cấu trúc và chức năng phối hợp có thể nhận ra ngay lập tức là thuộc về một sinh vật kết hợp.
Hỏi: Đây có phải là những sinh vật sống dưới nước không?
A: Các sinh vật sống trong nước ngọt tiêu chuẩn và có thể tồn tại ở nhiệt độ từ 40 độ đến 80 độ.
Hỏi: Các sinh vật có ăn không?
A: Các sinh vật được nạp sẵn nguồn thức ăn của riêng chúng (tiền gửi lipid và protein) cho phép chúng sống để lấy ít hơn một tuần Tuy nhiên, nếu được trồng trong môi trường nuôi cấy tế bào giàu chất dinh dưỡng, tuổi thọ của chúng có thể tăng lên vài tuần hoặc vài tháng.
Hỏi: Làm thế nào để máy tính thiết kế các sinh vật?
A: Máy tính mô hình động lực học của các khối xây dựng sinh học (da và cơ tim) xây dựng các giải phẫu sinh vật khác nhau. Hành vi của mỗi giải phẫu được thiết kế được mô phỏng trong môi trường ảo dựa trên vật lý và được chỉ định điểm hiệu suất (ví dụ: quãng đường di chuyển). Một thuật toán tiến hóa bắt đầu với một quần thể các thiết kế được lắp ráp ngẫu nhiên, sau đó lặp đi lặp lại xóa những cái xấu nhất và thay thế chúng bằng các bản sao được thay đổi ngẫu nhiên của những cái tốt hơn. Đó là sự sống còn của kẻ mạnh nhất, bên trong máy tính. Các thiết kế mạnh nhất trong thực tế ảo sau đó được chọn để xây dựng từ các mô sinh học thực sự.
Q: Làm thế nào để bạn so sánh sự giống nhau của thiết kế máy tính với sinh vật thực tế được chế tạo?
A: Hành vi của sinh vật được truy tìm và so sánh với thiết kế ảo. Để xác định xem sự di chuyển của các sinh vật là kết quả của sự tình cờ hay do sự thiết kế mô hình và vị trí mô tiến hóa, sự phân bố mô và mô được thay đổi bằng cách xoay thiết kế 180 ° về mặt phẳng ngang của nó (lật nó lên trên lưng của nó). Hình dạng và vị trí mô của sinh vật được xây dựng được so sánh bằng thị giác máy tính.
Hỏi: Tại sao tạo ra các sinh vật mới?
A: Thiên nhiên chỉ khám phá một phần nhỏ của không gian các sinh vật có thể được lắp ráp từ các tế bào sinh học. Có gì khác ngoài đó? Chúng ta cần hiểu (a) loại tế bào cấu trúc nào có thể hợp tác để xây dựng, (b) cách chúng quyết định nên làm gì, khi được giải phóng khỏi bối cảnh bình thường của chúng (có bao nhiêu độ dẻo), (c) những gì có thể mà không có chỉnh sửa bộ gen và (d) làm thế nào các kết quả phức tạp có thể được thao tác hợp lý.
Q: Câu hỏi cơ bản nào trả lời những câu hỏi cơ bản như vậy?
các ràng buộc bình thường của một phôi. Nói cách khác, những chức năng nào khác tồn tại trong phần mềm sinh lý được mã hóa bởi bộ gen ếch tiêu chuẩn? Thông tin về cách các tế bào đưa ra quyết định trong quá trình lắp ráp một cơ thể mới làm sáng tỏ nguồn gốc của đa bào, khả năng tính toán của các tế bào đơn lẻ, khai thác các lực vật lý bằng tiến hóa, nguồn gốc và đặc điểm kỹ thuật của cơ thể mặc định thường được xây dựng bởi các tế bào phôi và khả năng sinh học máy sinh học mới với các chức năng hữu ích.
Q: Tại sao các sinh vật được thiết kế trên máy tính được gọi là sinh vật có thể cấu hình lại được trong giấy kỹ thuật?
A: khác với một con ếch. Các tế bào được cấu hình bởi chọn lọc tự nhiên để trở thành ếch đã được cấu hình lại bằng AI để tạo ra các hình thức và chức năng mới. Các tế bào tổng hợp của sinh vật kết quả cũng có thể được tách ra và cấu hình lại để tạo thành một sinh vật mới.
Hỏi: Liệu các cấu trúc này có thể bắt đầu phát triển ngoài tầm kiểm soát của chúng tôi không?
A: Ở đây không có sự tiến hóa nào Họ chỉ đơn giản là xuống cấp và trở nên không hoạt động sau khoảng bảy ngày. Tuy nhiên, các sinh vật sống (những sinh vật được tạo ra bởi giao phối do con người hướng dẫn, vi khuẩn và vi rút được tạo ra bởi sự di chuyển của con người và tác động đến chuỗi thức ăn, v.v.) luôn phát triển vượt quá tầm kiểm soát của chúng ta; cách tốt nhất để đối phó với thực tế này trong tương lai là hiểu nó và học cách hướng dẫn nó.
Q: CDO có những ưu điểm và nhược điểm gì so với microrobots?
về lý thuyết, tồn tại lâu hơn CDO. Nhưng, một lượng nhỏ kim loại có thể rất có hại cho các cơ quan nội tạng; CDO hoàn toàn tương thích sinh học và phân hủy sinh học.
Hỏi: Nếu một AI thực sự thiết kế những sinh vật này, thì không phải là một sinh vật độc ác (hoặc không biết gì) thiết kế AI có hại (hoặc vô tình gây hại)?
Một ý định AI gây ra tác hại dường như là không thể, nhưng thiết kế các sinh vật với tác dụng phụ không chủ ý là kết quả khả thi cho công nghệ này. Do đó, chúng tôi tin rằng tất cả các công nghệ do máy tính thiết kế – bao gồm cả sinh vật – yêu cầu xác minh con người trước khi được tạo ra, hãy để một mình triển khai để thực hiện (hy vọng) công việc hữu ích. Hơn nữa, quy định của công nghệ như vậy là một bước tiếp theo quan trọng trong không gian chính sách. Bất kể, khả năng gây hại trong các loại sáng tạo này là vô cùng nhỏ hơn so với những nỗ lực hiện tại trong không gian chỉnh sửa virus học, vi khuẩn học và bộ gen.
Q: Ai đó có thể lập trình AI để thiết kế CDO vũ khí hóa không?
A: Về lý thuyết, vâng. Hiện tại, thật khó để thấy làm thế nào một AI có thể tạo ra các sinh vật gây hại dễ dàng hơn một nhà sinh vật học tài năng với ý định xấu có thể. Mặc dù vậy, chúng tôi tin rằng, khi công nghệ này trưởng thành, quy định về việc sử dụng và sử dụng sai mục đích của nó phải là ưu tiên cao. Mặc dù vậy, một lần nữa, khả năng sử dụng sai là rất nhiều, nhỏ hơn nhiều so với những gì đang được thực hiện với các tác nhân tự sinh sản như vi khuẩn, vi rút và ổ đĩa gen.
Q: Tôi có thể tìm mã nguồn ở đâu để thiết kế các sinh vật ảo của riêng mình?
A: github.com/skriegman/reconfigurable_ organests
Source link: webdesignernews