مرة أخرى في عام 1495 ، أنشأ ليوناردو دافنشي رسمًا للدروع الحية. وفقط بعد 425 عامًا ، استخدم كاتب الخيال العلمي التشيكي Karel Čapek لأول مرة كلمة "روبوت" في مسرحيته "RUR". الروبوتات الحديثة أكثر ذكاءً وتعقيدًا وأكثر تنقلاً من روبوت دافنشي ، لكن لها ميزات مشتركة. واحد منهم هو المواد التي تصنع منها هذه الآلات الرائعة. عندما نتحدث عن الروبوتات ، غالبًا ما نتخيل شيئًا اصطناعيًا ، وليس في الكتب والأفلام التي يطلق عليها الروبوتات تسمى أحيانًا مواد تركيبية.
ومع ذلك ، يمكن إنشاء الروبوتات ليس فقط من المعدن أو البلاستيك أو ألياف الكربون. قرر علماء من جامعة فيرمونت (الولايات المتحدة الأمريكية) استخدام أقفاص الضفادع كمواد بناء. يمكن للروبوتات المجهرية الناتجة ، والتي تسمى "xenobots" ، أن تنتقل عبر جسم كائن حي وتؤدي مهامها. كيف بالضبط خلق العلماء حياة مصطنعة ، وما هي المواهب التي يمكن أن يتباهى بها الأجانب ، وأين يمكن تطبيق هذا الاختراع غير العادي؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
إنشاء آلية من شأنها أن تؤدي بعض المهام تحت سيطرة الذكاء الاصطناعي ليست صعبة للغاية في الوقت الحاضر. ليس من الصعب إعادة بناء الكائن الموجود عن طريق تغيير هيكله أو وظائفه أو خصائصه. ومع ذلك ، فإن خلق حياة من الصفر ليست مهمة سهلة. يقول الباحثون في جامعة فيرمونت أن المواد الاصطناعية تستخدم في الروبوتات في معظمها بسبب بساطة تصنيعها وتنفيذها وتكاملها. يمكن دومًا صهر القول المعدني المبالغ فيه أو إعادة تشكيله أو شحذه. لكن الكائنات الحية والأنسجة والخلايا الحية ، أي أنظمة المعيشة تثبت استقرار الهيكل والوظائف. أنها مقاومة للغاية للتدخل الخارجي تهدف إلى تغيير سلوكهم.
في الوقت نفسه ، تُظهر الخلايا الحية ، وخاصة الخلايا الجنينية ، ميزات مذهلة لا يمكن أن تفخر بها حتى الروبوتات الاصطناعية الأكثر تطوراً. الخلايا الجنينية قادرة على التنظيم الذاتي ، وتحقيق عمليات تطوير الأنسجة وتجديدها ، وهذا يتوقف على الوضع. التلاعب بهذه القدرة قد يسمح بإنشاء مورفولوجيا اصطناعية يمكن من خلالها تحقيق أشكال حياة جديدة ، بغض النظر عن مدى صخبها. علاوة على ذلك ، يمكن الإشراف على عملية التنظيم الذاتي للخلية ، وبالتالي تزويد الهيكل المستقبلي بالوظائف والخصائص اللازمة.
في الوقت الحالي ، هناك بالفعل العديد من الطرق لتطوير وإنشاء أنظمة المعيشة الفردية. على سبيل المثال ، يمكن تعديل الكائنات أحادية الخلية عن طريق الجينومات المعاد تشكيلها (المحولة) ، لكن هذا غير ممكن حتى الآن في النظم متعددة الخلايا.
يمكنك أيضا تعديل حبلا الخلية عن طريق تغيير شروط الثقافة. ولكن في هذه الحالة ، ستكون السيطرة على العمليات والبنية والوظائف في حدها الأدنى. في المقابل ، هناك تطورات في مجال الهندسة الحيوية ، حيث تتم دراسة الأطر ثلاثية الأبعاد. هذا الخيار سوف يعطي المزيد من السيطرة. لكن عدم القدرة على التنبؤ بسلوك التركيب البيولوجي التعسفي يحصر هذه التقنية على تجميع الآلات البيولوجية القائمة على الأجهزة الموجودة. بمعنى آخر ، سيكون نفس التعديل على ما هو موجود بالفعل ، ولكن ليس إنشاء كائن حي جديد.
رغم كل الصعوبات والعقبات ، هناك طرق. واحد منهم هو البحث الحسابي بالتزامن مع الطباعة ثلاثية الأبعاد. على عكس التعلم الآلي ، فإن عملية البحث هي عملية تطورية تسمح لك بتصميم الهيكل المادي للآلة وسلوكها من نقطة الصفر. بالإضافة إلى ذلك ، لا ترتبط هذه الطريقة بأي أنواع محددة من البنية التي يتم إنشاؤها أو بأي وظائف محددة. يمكن استخدام نفس الخوارزمية التطورية لتطوير أنظمة مختلفة: الأدوية والمواد الأولية وحتى الآلات المستقلة.
في دراستنا اليوم ، أظهر العلماء نهجا قابلا للتطوير لتصميم النظم الحية باستخدام خوارزمية تطورية.
الصورة رقم 1يتم تنظيم الطريقة الجديدة كناقل خطي ، والذي يأخذ كمدخل وصف لبنات البناء البيولوجية المستخدمة والسلوك المطلوب الذي يجب على النظام المُصنَّع إظهاره. يعرض الناقل باستمرار أنظمة المعيشة الصحية التي تنفذ السلوك المحدد بطرق مختلفة. النظم الحية الناتجة هي مجموعات جديدة من الخلايا التي ليس لها علاقة تذكر بالأعضاء أو الكائنات الموجودة.
نتائج البحوث
يتم تنظيم الناقل كسلسلة من المولدات والمرشحات. المولد الأول عبارة عن خوارزمية تطورية تكتشف طرقًا متعددة للجمع بين لبنات البناء البيولوجية لتحقيق السلوك المطلوب. بادئ ذي بدء ، يتم إنشاء مجموعة من المتغيرات العشوائية لنماذج النظام المستقبلية. ثم يتم إعادة إنشاء كل نموذج في بيئة افتراضية ، وبعد ذلك يتم تعيين تصنيف الأداء تلقائيًا. يتم حذف النماذج الأقل إنتاجية واستبدالها بنسخ معدلة بطريق الخطأ من النماذج الأكثر إنتاجية. يؤدي تكرار هذه العملية إلى تكوين مجموعات من أنماط متنوعة وغير متكررة.
فيديو عملية تصميم العرض من الكائنات القابلة لإعادة التشكيل.نظرًا لأنه من المحتمل وجود العديد من الاختلافات بين الوسائط الفعلية المحاكاة والوسائط الفعلية المستهدفة ، يتم تمرير النماذج الفعالة من خلال مرشح (موثوقية) الاستقرار الذي يسمح فقط لتلك التي تدعم السلوك المرغوب على الرغم من الضوضاء (التغييرات في البيئة) بالمرور.
بعد ذلك يتم تمرير النماذج المقاومة للبقاء على قيد الحياة من خلال مرشح التجميع ، الذي يزيل النماذج غير المناسبة لطريقة التجميع الحالية أو لا يمكن القياس إلى مهام أكثر تعقيدًا في المستقبل. تعتمد قابلية التصنيع على الحد الأدنى لحجم التقعر ، والذي سيتم حفظه في مجموعات من الخلايا الجذعية النامية ، والتي تميل إلى سد الثغرات الصغيرة في هندستها العامة. تعتمد قابلية التوسع للنموذج على حصته من الأنسجة السلبية ، والتي توفر مساحة لأنظمة الأعضاء أو حمولاتها المستقبلية (أي مساحة لعقد مادة قابلة للنقل ، مثل الدواء).
Xenopus laevisثم يتم تشكيل النماذج التي تمر بنجاح من خلال مرشح التجمع من الأنسجة الحية. تُحصد الخلايا الجذعية
المتعددة القدرات أولاً من أجنة "
Xenopus laevis" (الضفدع السلس) في مرحلة التفجير ، ثم تنفصل وتُجمع لتحقيق العدد المرغوب من الخلايا.
الخلايا المتعددة القدرات * قادرة على التمييز (التحويل) في جميع أنواع الخلايا ، باستثناء خلايا الأعضاء الخارجة عن الجراثيم.
بعد فترة الحضانة ، يتم تشكيل الأنسجة المجمعة يدوياً عن طريق الطرح باستخدام مزيج من ملقط للجراحة المجهرية والقطب الكي بإبرة 13 ميكرون.
بالإضافة إلى ذلك ، يتم وضع الأنسجة المقلصة على الجسم عن طريق إدخال خلايا السلف ذات القلب الضفادع ، والتي تتطور بشكل طبيعي إلى خلايا عضلية القلب (عضلة القلب). ستخلق هذه الخلايا موجات مقلصة في أماكن معينة من الكائن المخلوق.
وكانت نتيجة كل هذه التلاعبات هي تمثيل حي ثلاثي الأبعاد للنموذج ، الذي لديه القدرة على التحرك بشكل مستقل عبر البيئة المائية لعدة أيام وحتى أسابيع دون وجود مغذيات إضافية.
عرض الفيديو هو عملية إنشاء كائنات قابلة لإعادة التكوين.يتم إدخال الكائنات الناتجة في وقت لاحق في البيئة المادية الحقيقية لرصد سلوكهم.
بعد ذلك ، قارن العلماء بين الملاحظات ونتائج النمذجة لتحديد حقيقة انتقال السلوك من "المواد التركيبية" إلى "العضوية".
أحد الجوانب المهمة لهذه التقنية هو استمرار الخوارزمية التطورية حتى بعد إدخال الكائنات الجاهزة في البيئة. قد لا يعرض بعضها ، على الرغم من فائدته في مرحلة التطوير ، السلوك الدقيق المتوقع. تتم إزالة هذه النماذج من الكائنات من الخوارزمية ، مما يؤدي إلى إنشاء كائنات أكثر استقرارًا وملائمة بيئيًا في المرة القادمة.
وهكذا ، تم تنفيذ 4 أشواط من الناقل. وكانت نتيجة هذا 4 أنواع من الكائنات الحية ، مما يدل على الميزات التالية: الحركة ، والتعامل مع الأشياء ، ونقل الأشياء والسلوك الجماعي. الآن دعنا نتحدث أكثر عن كل ميزة.
الصورة رقم 2للحصول على مجموعة متنوعة من النماذج ، تم إجراء 100 اختبار مستقل للخوارزمية التطورية (
2A -
2C ) ، بدأ كل منها بمجموعة مختلفة من النماذج العشوائية الأولية. خلال كل اختبار ، تم اختيار النماذج بناءً على الإزاحة الصافية (الإزاحة) التي تم تحقيقها على مدار فترة 10 ثوانٍ (مع انكماش عشوائي ، مكون من طور ، دوري عند 2 هرتز). في كل اختبار ، تم تطبيق معايير اختيار إضافية في شكل منافسة محفزة داخل الخطوط الوراثية الفريدة وفيما بينها ، مما أدى إلى تكوين ديناميكيات بيئية فريدة. في نهاية كل اختبار ، تمت إزالة النماذج الأكثر ملاءمة (
1A ) وتمريرها من خلال مرشحات الثبات والتجمعات. في عملية التصفية هذه ، تم اختيار تلك النماذج التي احتفظت بالتحرك السريع أثناء القياس والبناء (الصورة رقم 3).
الصورة رقم 3تجدر الإشارة إلى أن أهداب (أهداب ، شعر رقيق على سطح الخلية) لم تكن على غرار أثناء عملية التصميم وتم قمعها خلال الاختبارات العملية عن طريق حقن مجهري الجنينية من الرنا المرسال نسخ المجال المجال داخل الخلايا. وهكذا ، تم تنفيذ جميع حركات الكائنات الحية حصرا من خلال الحد من أنسجة عضلة القلب.
تمت مقارنة مسارات الكائنات الحية المحاكاة والمبطلة (بدون أهداب) في اتجاهين: رأسي ومقلوب ، أي مقلوب 180 درجة بالنسبة للطائرة عرضية. أظهرت الملاحظات أن واحدًا على الأقل من بدائل نماذج الجسم أدرك بنجاح السلوك المعطى في اتجاه رأسي ، ولكن ليس في اتجاه مقلوب (الصورة رقم 4).
الصورة رقم 4تزامن اتجاه حركة الكائنات ذات الاتجاه الرأسي مع اتجاه النموذج في ظل اضطرابات عشوائية. هذا يشير إلى أن الحركة الناجحة في الفضاء ليست عشوائية ، ولكنها نتيجة لتصميم نموذج الكائن الحي نفسه.
الميزة الثانية هي التلاعب بالأشياء. عندما كانت هناك جزيئات صلبة في بيئة الكائنات الحية المختبرة ، بدأت الأولى في الاندماج التلقائي معها ، سواء في النمذجة أو في الممارسة (
3F ).
لا يمكن أن يسمى هذا السلوك منظمًا ، حيث لم يتم تعيين معلمات المهمة الضرورية. يمكن تحقيق ذلك بشكل أكثر دقة عن طريق إضافة بيانات أكثر دقة: على سبيل المثال ، يرجى الإشارة إلى المنطقة التي يجب تنظيفها من الجسيمات أو الإشارة إلى نوع معين من الجزيئات التي يجب إزالتها ، مع تجاهل كل العناصر الأخرى. تم تنفيذ السلوك الثاني ، ولكن حتى الآن على المستوى البدائي.
في المرحلة التالية ، تم اختبار الكائنات التي تظهر القدرة على نقل الأشياء. وقد تم تصميم بعض الكائنات الحية للحد من السحب الهيدروديناميكي من خلال ثقب في وسط مستواها المستعرض. ومع ذلك ، لم تكن هناك أنسجة تقلص في هذه المنطقة من الجسم.
يمكن تحويل هذا الثقب خلال الدورات اللاحقة للخوارزمية التطورية إلى نوع من الأكياس لنقل الأشياء ، والتي يمكن استخدامها لتسليم موضعي للأدوية.
ميزة أخرى هي السلوك الجماعي. أثناء التنفيذ العملي ، لوحظ تصادم بين كائنين ، مما أدى إلى تكوين اتصال ميكانيكي مؤقت. يبدأ هذان الكائنان في الدوران حول بعضهما البعض ، وبعد بضع ثورات مرة أخرى تنفصل على طول الممرات العرضية. سوف يكون هذا السلوك أكثر وضوحًا إذا لم تقمع نمو أهداب ، لأنها تؤدي إلى "تشابك" الكائنين مع بعضهما البعض ، أي علاقتهم تصبح أطول بكثير.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
هذه الدراسة ليست صعبة الفريدة ، بالنظر إلى نتائجها. أخذ العلماء خلايا الضفادع وخلقوا منها كائنات جديدة متعددة الخلايا تؤدي وظائف محددة بدرجات متفاوتة من النجاح. حتى مؤلفو هذا العمل يدركون أن الكثيرين يشعرون بالخوف من احتمال وجود روبوتات مستقلة ذاتياً إلى حد ما ، ناهيك عن أشكال جديدة من الحياة. ومع ذلك ، في رأيهم ، هذه الدراسة تسمح لفهم أفضل للحياة نفسها كظاهرة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للأجانب المتخلفة أن يخدموا في الطب ، ليصبحوا جراحين نانويين أحياء ، أو يزيلون الخلايا الضارة والممرضة من جسم المريض ، أو حاملو العقاقير النانوية ، ويوصلونها مباشرة إلى حيث سيحاربون المرض بفعالية أكبر.
الحياة بكل أشكالها ومظاهرها لا تشوبها شائبة ، على الرغم من جميع أوجه القصور. لقد تطور كل كائن حي ليتكيف مع الظروف المعيشية المتغيرة. العلم الحديث قادر على خلق الحياة ، ولكن فقط في إطار تغيير الكائنات الحية الموجودة. لكن إنشاء شيء جديد من البداية مهمة مختلفة تمامًا ، أكثر صعوبة وطموحًا. هناك أمثلة للكائنات الحية المصطنعة ، ولكن لا يمكن مقارنتها بتلك التي وصفها كتاب الخيال العلمي. على الرغم من ذلك ، لا يوقف العلماء من جميع أنحاء العالم أبحاثهم ، على أمل إنشاء شكل جديد من أشكال الحياة. لا يزال من الصعب تحديد مدى خطورة اللعب بالطبيعة. ومع ذلك ، وفقًا لكتاب الخيال العلمي ، فإن مثل هذه الاكتشافات لن تنجح. ومع ذلك ، فإن أعمال أدب الخيال العلمي ، على الرغم من أن العديد من النواحي تتنبأ بمستقبل المجتمع بشكل عام والعلوم بشكل خاص ، ليست سوى شكل من خيال المؤلف. كيف بالضبط التقنيات التي يجري تطويرها حاليا ، بما في ذلك xenobots ، سوف يعتمد فقط على أنفسنا.
شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة ، شباب :)
قليلا من الإعلان :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك
VPS المستندة إلى مجموعة النظراء للمطورين من 4.99 دولار ، وهو
تمثيلي فريد من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟