Xenobots 2.0: la nuova generazione dei robot biologici viventi
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04.08.21 - 08:000

Xenobots 2.0: la nuova generazione dei robot biologici viventi

Questa versione di robot biologici è più veloce, vive più a lungo, può registrare informazioni e assemblarsi da sola

Lo scorso anno una collaborazione fra scienziati dell’University of Vermont (UVM) e della Tufts University in Massachusetts ha prodotto un’importante scoperta, ovvero gli Xenobots, minuscole macchine biologiche create da cellule di rana. Questi bot erano in grado di autorigenerarsi, muoversi, spingere carichi utili e agire come un’unità collettiva. Oggi, lo stesso team ha dato vita a una nuova generazione di robot-organismi, appunto gli Xenobots 2.0.
La nuova versione di Xenobots è capace di assemblarsi da sola a partire da una singola cellula e ha persino dimostrato una memoria registrabile. Rispetto ai loro predecessori, si muovono più velocemente in ambienti differenti e hanno una durata di vita più lunga. Allo stesso tempo, possono lavorare insieme e curarsi se danneggiati. I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati nella rivista Science Robotics.

I nuovi Xenobots

La prima generazione di Xenobots era stata realizzata tramite la modellazione e l’applicazione manuale di pelle di rana e di cellule cardiache, la cui contrazione riusciva a generare movimento. I nuovi Xenobots, invece, sono stati prodotti con un approccio decisamente differente.
La versione 2.0 continua a usare le cellule staminali prelevate dagli embrioni della rana africana “Xenopus laevis” (da cui il nome Xenobots), cellule che vengono separate in una piastra di petri, dove si assemblano liberamente e crescono in sferoidi. Dopo alcuni giorni, le sfere iniziano a differenziarsi e a produrre ciglia, estensioni filamentose che si muovono avanti e indietro o ruotano in un modo specifico.
Queste ciglia forniscono ai nuovi robot un tipo di “gambe” che consente loro di viaggiare più rapidamente e su diverse superfici. Nel mondo biologico, le ciglia, o minuscole proiezioni simili a peli, si trovano spesso su superfici mucose, come i polmoni, e aiutano a spingere fuori materiale estraneo e agenti patogeni. Negli Xenobot, invece, forniscono una rapida locomozione.
«Nell’embrione della rana, le cellule cooperano per produrre un girino. In questo caso, rimosse dal loro contesto originale, le cellule sono comunque in grado di riprodurre le loro formazioni genetiche, come le ciglia, ma le destinano ad altre funzioni, come la locomozione. È Incredibile che le cellule possono interpretare altri ruoli e creare nuovi piani per il proprio organismo, senza dei lunghi periodi di selezione evolutiva», ha affermato Michael Levin, Professore di Biologia e direttore dell’Allen Discovery Center alla Tufts University, nonché autore dello studio.

Xenobots simili a robots

Gli Xenobots sono costruiti in modo molto simile a un robot tradizionale, solo che al posto dell’hardware vengono adoperati cellule e tessuti per realizzare la forma e creare comportamenti prevedibili. Questo approccio ha aiutato gli scienziati a capire come le cellule comunicano mentre interagiscono tra loro durante lo sviluppo e come è possibile controllare meglio queste interazioni.
All’UVM i ricercatori si sono occupati di seguire il comportamento di Xenobots con forme differenti, in programmi di simulazione computerizzata. Utilizzando il Supercomputer Deep Green presso il Vermont Advanced Computing Core, capace di attualizzare miliardi di computazioni al secondo, il team guidato da Josh Bongard e Sam Kriegman ha analizzato il comportamento degli Xenobots in centinaia di migliaia di condizioni ambientali attraverso l’uso di un algoritmo evolutivo. Grazie a queste simulazioni, i ricercatori sono riusciti a scoprire quali forme di Xenobots erano capaci di lavorare meglio in gruppo.
«Vogliamo che gli Xenobots siano utili. Al momento gli stiamo dando dei compiti molto semplici, ma speriamo che questo nuovo strumento vivente possa, per esempio, pulire le microplastiche nell’oceano o i contaminanti nel suolo», ha dichiarato Bongard. La nuova versione di Xenobots si è dimostrata infatti più veloce ed efficiente in attività come la raccolta dei rifiuti. Lavorando insieme in una piastra di petri, i bot possono spazzare via particelle di ossido di ferro, ma possono anche coprire superfici piane più estese e viaggiare attraverso vie capillari.

Altre importanti caratteristiche

La caratteristica più impressionante di questa nuova tecnologia è la capacità degli Xenobots di registrare informazioni complesse e utilizzare la memoria per modificare azioni e comportamenti.
La funzione di memoria è stata sperimentata in laboratorio e i test hanno dimostrato che potrebbe essere estesa in futuro per rilevare e registrare la luce, la presenza di contaminazione radioattiva, inquinanti chimici e altro ancora.
«Quando aggiungiamo nuove capacità agli Xenobots, possiamo utilizzare le simulazioni del computer per modellare una forma adatta ad un comportamento più complesso e con l’abilità di portare a termine compiti più elaborati. Potenzialmente potremmo ingegnerizzare i bot sia per documentare l’ambiente sia per modificarlo e ripararlo», ha spiegato Bongard.
L’altro vantaggio di un robot biologico è quello di avere un metabolismo. Gli Xenobots, infatti, a differenza di un robot fatto di metallo e di plastica, possono assorbire e distruggere sostanze chimiche e allo stesso tempo sintetizzarne di nuove. Nel campo della biologia sintetica, finora focalizzata sulla programmazione di organismi unicellulari, si potranno quindi produrre organismi pluricellulari utili alla conservazione dell’ambiente e del corpo umano.
Questa nuova versione di bot, inoltre, è anche in grado di auto-curarsi in modo molto efficiente, dimostrando la capacità di chiudere la maggior parte di una grave lacerazione in soli cinque minuti.
Se mantenuti in un mix liquido di nutrienti, i nuovi Xenobots possono resistere anche fino a diversi mesi. Senza ulteriori nutrienti, l’energia embrionale che permette alle cellule di compiere le loro funzioni ha una durata di 10 giorni.

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