एक्सनोबोट्स: मेंढक कोशिकाओं से जीवित नैनोरोबोट्स

1495 में वापस, लियोनार्डो दा विंची ने जीवित कवच का एक चित्र बनाया। और केवल 425 वर्षों के बाद, चेक विज्ञान कथा लेखक करेल firstapek ने पहली बार अपने रोबोट "RUR" में "रोबोट" शब्द का इस्तेमाल किया। आधुनिक रोबोट दा विंची रोबोट की तुलना में बहुत चालाक, अधिक जटिल और अधिक मोबाइल हैं, लेकिन उनके पास सामान्य विशेषताएं हैं। उनमें से एक ऐसी सामग्री है जिससे ये अद्भुत मशीनें बनाई जाती हैं। जब हम रोबोट के बारे में बात करते हैं, तो हम अक्सर कुछ सिंथेटिक की कल्पना करते हैं, न कि बिना पुस्तकों के कारण और रोबोट की फिल्मों को कभी-कभी सिंथेटिक्स कहा जाता है।

हालांकि, रोबोट न केवल धातु, प्लास्टिक या कार्बन फाइबर से बनाया जा सकता है। वरमोंट (यूएसए) विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने निर्माण सामग्री के रूप में मेंढक पिंजरों का उपयोग करने का निर्णय लिया। परिणामी सूक्ष्म रोबोट, जिसे "ज़ेनोबॉट्स" कहा जाता है, एक जीवित जीव के शरीर के माध्यम से यात्रा करने और अपने कार्यों को करने में सक्षम हैं। वास्तव में वैज्ञानिकों ने कृत्रिम जीवन कैसे बनाया, कौन-सी प्रतिभाएं ज़ीनबॉट्स को घमंड कर सकती हैं, और इस तरह के असामान्य आविष्कार को कहां लागू किया जा सकता है? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

एक तंत्र बनाना जो कृत्रिम बुद्धि के नियंत्रण में कुछ कार्य करेगा, आजकल इतना मुश्किल नहीं है। इसकी संरचना, कार्यों या विशेषताओं को बदलकर मौजूदा जीव का पुनर्निर्माण करना मुश्किल नहीं है। हालांकि, खरोंच से जीवन बनाना एक आसान काम नहीं है। वर्मोंट विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं का कहना है कि सिंथेटिक सामग्री का उपयोग रोबोटिक्स में उनके निर्माण, कार्यान्वयन और एकीकरण की सादगी के कारण सबसे अधिक समय के लिए किया जाता है। अतिरंजित कहा जाता है कि धातु को हमेशा पिघलाया जा सकता है, reforged या तेज किया जा सकता है। लेकिन जीवित जीव, ऊतक और कोशिकाएं, अर्थात्। लिविंग सिस्टम संरचना और कार्यों की स्थिरता को प्रदर्शित करता है। वे अपने व्यवहार को बदलने के उद्देश्य से बाहरी हस्तक्षेप के लिए बहुत प्रतिरोधी हैं।

एक ही समय में, जीवित कोशिकाएं, विशेष रूप से भ्रूण वाले, अद्भुत विशेषताओं का प्रदर्शन करते हैं जो कि सबसे विकसित सिंथेटिक रोबोट भी दावा नहीं कर सकते हैं। भ्रूण की कोशिकाएं स्वयं-व्यवस्थित करने में सक्षम हैं, जो ऊतक विकास और पुनर्जनन की प्रक्रियाओं को साकार करती हैं, स्थिति के आधार पर। इस क्षमता के साथ छेड़छाड़ एक सिंथेटिक आकृति विज्ञान के निर्माण की अनुमति दे सकती है जिसके माध्यम से नए जीवन रूपों को महसूस किया जा सकता है, चाहे कितना भी जोर से सुनाई दे। इसके अलावा, सेल स्व-संगठन की प्रक्रिया की निगरानी की जा सकती है, जिससे आवश्यक कार्यों और विशेषताओं के साथ भविष्य की संरचना प्रदान की जा सकती है।

फिलहाल, व्यक्तिगत जीवन प्रणालियों को विकसित करने और बनाने के लिए पहले से ही कई तरीके हैं। उदाहरण के लिए, एककोशिकीय जीवों को रिफैक्टर्ड (रूपांतरित) जीनोम के माध्यम से संशोधित किया जा सकता है, लेकिन बहुकोशिकीय प्रणालियों में इसे लागू करना अभी तक संभव नहीं है।

आप संस्कृति की स्थितियों को बदलकर सेल स्ट्रैंड को भी संशोधित कर सकते हैं। लेकिन इस मामले में, प्रक्रियाओं और संरचना और कार्यों पर नियंत्रण न्यूनतम होगा। इसके विपरीत, बायोइंजीनियरिंग के क्षेत्र में विकास होते हैं, जहां तीन आयामी रूपरेखाओं का अध्ययन किया जाता है। यह विकल्प अधिक नियंत्रण देगा। लेकिन एक मनमाना जैविक संरचना के व्यवहार की भविष्यवाणी करने में असमर्थता इस तकनीक को मौजूदा मशीनों के आधार पर जैविक मशीनों की विधानसभा तक सीमित करती है। दूसरे शब्दों में, यह वही संशोधन होगा जो पहले से ही है, लेकिन एक नए जीवित जीव का निर्माण नहीं।

सभी कठिनाइयों और बाधाओं के बावजूद, तरीके हैं। उनमें से एक तीन आयामी मुद्रण के साथ संयोजन में कम्प्यूटेशनल खोज है। मशीन लर्निंग के विपरीत, खोज एक विकासवादी प्रक्रिया है जो आपको मशीन की भौतिक संरचना और उसके व्यवहार को खरोंच से डिजाइन करने की अनुमति देती है। इसके अलावा, यह विधि किसी विशिष्ट प्रकार की संरचना के निर्माण या किसी विशिष्ट कार्य के लिए बंधी नहीं है। एक ही विकासवादी एल्गोरिथ्म का उपयोग विभिन्न प्रणालियों को विकसित करने के लिए किया जा सकता है: ड्रग्स, मेटामेट्री और यहां तक ​​कि स्वायत्त मशीनें।

आज हमारे अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने एक विकासवादी एल्गोरिथ्म का उपयोग करके जीवित प्रणालियों के डिजाइन के लिए एक स्केलेबल दृष्टिकोण का प्रदर्शन किया।


चित्र संख्या 1

नई विधि एक रैखिक कन्वेयर के रूप में आयोजित की जाती है, जो इनपुट के रूप में उपयोग किए गए जैविक भवन ब्लॉकों और निर्मित प्रणाली को प्रदर्शित करने वाले वांछित व्यवहार का वर्णन करती है। कन्वेयर लगातार स्वस्थ रहने वाले सिस्टम को प्रदर्शित करता है जो निर्दिष्ट व्यवहार को विभिन्न तरीकों से लागू करते हैं। परिणामस्वरूप रहने वाले सिस्टम कोशिकाओं के नए संग्रह हैं जो मौजूदा अंगों या जीवों के साथ बहुत कम हैं।

अनुसंधान के परिणाम

कन्वेयर को जनरेटर और फिल्टर के अनुक्रम के रूप में व्यवस्थित किया गया है। पहला जनरेटर एक विकासवादी एल्गोरिथ्म है जो वांछित व्यवहार का एहसास करने के लिए जैविक भवन ब्लॉकों के संयोजन के विभिन्न तरीकों को पता चलता है। शुरू करने के लिए, भविष्य के सिस्टम मॉडल के यादृच्छिक वेरिएंट की आबादी बनाई जाती है। प्रत्येक मॉडल को फिर एक आभासी वातावरण में बनाया जाता है, जिसके बाद एक प्रदर्शन रेटिंग स्वचालित रूप से असाइन की जाती है। कम उत्पादक मॉडल को हटा दिया जाता है और अधिक उत्पादक मॉडल की गलती से संशोधित प्रतियों से हटा दिया जाता है। इस प्रक्रिया की पुनरावृत्ति विविध और गैर-दोहराव वाले पैटर्न की आबादी का गठन करती है।


पुनर्निर्माण योग्य जीवों की वीडियो प्रस्तुति डिजाइन प्रक्रिया।

चूंकि नकली और लक्षित भौतिक मीडिया के बीच कई अंतर होने की संभावना है, प्रभावी मॉडल एक स्थिरता (विश्वसनीयता) फ़िल्टर के माध्यम से पारित किए जाते हैं जो केवल उन लोगों को अनुमति देता है जो शोर (पर्यावरण में परिवर्तन) के बावजूद वांछित व्यवहार का समर्थन करते हैं।

जीवित शोर-प्रतिरोधी मॉडल फिर एक असेंबली फ़िल्टर के माध्यम से पारित किए जाते हैं, जो उन मॉडलों को हटा देता है जो वर्तमान असेंबली विधि के लिए उपयुक्त नहीं हैं या भविष्य में अधिक जटिल कार्यों के लिए स्केल नहीं कर सकते हैं। विनिमेयता न्यूनतम आकार पर निर्भर करती है, जिसे विकासशील स्टेम सेल के समूहों में संरक्षित किया जाएगा, जो अपने सामान्य ज्यामिति में छोटे अंतराल को बंद करते हैं। मॉडल की मापनीयता निष्क्रिय ऊतक के अपने हिस्से पर निर्भर करती है, जो भविष्य के अंग प्रणालियों या पेलोड (यानी, परिवहन योग्य पदार्थ रखने की जगह, जैसे कि दवा) के लिए जगह प्रदान करती है।


ज़ेनोपस लाविस

मॉडल जो सफलतापूर्वक विधानसभा फिल्टर से गुजरते हैं, फिर जीवित ऊतक से बनते हैं। प्लुरिपोटेंट * स्टेम सेल पहले ब्लास्टुला चरण में ज़ेनोपस लाविस भ्रूण (चिकनी स्पर फ्रॉग) से काटा जाता है, फिर कोशिकाओं की वांछित संख्या प्राप्त करने के लिए अलग और संयुक्त होता है।

प्लुरिपोटेंट कोशिकाएं * अतिरिक्त-रोगाणु अंगों की कोशिकाओं को छोड़कर, सभी प्रकार की कोशिकाओं में अंतर (परिवर्तन) करने में सक्षम हैं।

ऊष्मायन अवधि के बाद, 13 माइक्रोन सुई के साथ microsurgery और एक cauterization इलेक्ट्रोड के लिए संदंश के संयोजन का उपयोग करके कुल ऊतक को मैन्युअल रूप से घटाव द्वारा बनाया जाता है।

इसके अलावा, सिकुड़ा हुआ ऊतक शरीर पर मेंढक हृदय पूर्वज कोशिकाओं को पेश करके स्तरित होता है, जो स्वाभाविक रूप से कार्डियोमायोसाइट्स (हृदय की मांसपेशी) में विकसित होता है। ये कोशिकाएं निर्मित जीव के कुछ स्थानों में सिकुड़ती लहरें बनाएंगी।

इन सभी जोड़तोड़ों का परिणाम मॉडल का त्रि-आयामी लाइव प्रतिनिधित्व था, जो अतिरिक्त पोषक तत्वों के बिना कई दिनों और यहां तक ​​कि हफ्तों तक स्वतंत्र रूप से जलीय वातावरण में स्थानांतरित करने की क्षमता रखता है।


वीडियो प्रस्तुति पुनर्संयोज्य जीवों को बनाने की प्रक्रिया है।

परिणामी जीवों को बाद में उनके व्यवहार की निगरानी के लिए वास्तविक भौतिक वातावरण में पेश किया जाता है।

अगला, वैज्ञानिकों ने मॉडलिंग के परिणामों के साथ टिप्पणियों की तुलना "सिंथेटिक्स" से "कार्बनिक" व्यवहार के संक्रमण के तथ्य की पहचान करने के लिए की।

तकनीक का एक महत्वपूर्ण पहलू पर्यावरण में तैयार जीवों की शुरूआत के बाद भी विकासवादी एल्गोरिदम की निरंतरता है। उनमें से कुछ, विकास के स्तर पर अपनी उपयोगिता के बावजूद, उस सटीक व्यवहार को प्रदर्शित नहीं कर सकते हैं जो अपेक्षित था। एल्गोरिदम से जीवों के ऐसे मॉडल हटा दिए जाते हैं, जो अगली बार अधिक स्थिर और पर्यावरणीय रूप से उपयुक्त जीवों के निर्माण की ओर जाता है।

इस प्रकार, कन्वेयर के 4 रन किए गए। इसका परिणाम 4 प्रकार के जीव थे, जो निम्नलिखित विशेषताओं का प्रदर्शन करते थे: हरकत, वस्तुओं का हेरफेर, वस्तुओं का स्थानांतरण और सामूहिक व्यवहार। अब प्रत्येक सुविधाओं के बारे में अधिक बात करते हैं।


चित्र संख्या 2

मॉडल का एक विविध सेट प्राप्त करने के लिए, विकासवादी एल्गोरिथ्म ( 2A - 2C ) के 100 स्वतंत्र परीक्षण किए गए, जिनमें से प्रत्येक प्रारंभिक यादृच्छिक मॉडल के एक अलग सेट के साथ शुरू हुआ। प्रत्येक परीक्षण के दौरान, 10-सेकंड की अवधि (एक यादृच्छिक, चरण-संशोधित संकुचन, 2 हर्ट्ज पर चक्रीय) के साथ प्राप्त किए गए शुद्ध विस्थापन (विस्थापन) के आधार पर मॉडल का चयन किया गया था। प्रत्येक परीक्षण के दौरान, अद्वितीय आनुवंशिक लाइनों के भीतर और बीच में उत्तेजक प्रतियोगिता के रूप में अतिरिक्त चयन मापदंडों को लागू किया गया, जिसके कारण अद्वितीय पर्यावरणीय गतिकी का निर्माण हुआ। प्रत्येक परीक्षण के अंत में, सबसे उपयुक्त मॉडल को हटा दिया गया ( 1 ए ) और स्थिरता फिल्टर और असेंबलियों के माध्यम से पारित किया गया। इस फ़िल्टरिंग की प्रक्रिया में, उन मॉडलों का चयन किया गया जो स्केलिंग और बिल्डिंग-अप (छवि नंबर 3) के दौरान तेजी से नियंत्रण बनाए रखते थे।


चित्र संख्या 3

यह ध्यान देने योग्य है कि सिलिया (सिलिया, कोशिका की सतह पर पतले बाल) को डिज़ाइन प्रक्रिया के दौरान मॉडल नहीं किया गया था और नॉट इंट्रासेल्युलर डोमेन को स्थानांतरित करने वाले एमआरएनए के भ्रूण के सूक्ष्मजीव द्वारा व्यावहारिक परीक्षणों के दौरान दबा दिया गया था। इस प्रकार, हृदय की मांसपेशियों के ऊतकों की कमी के माध्यम से जीवों के सभी आंदोलनों को विशेष रूप से किया गया था।

नकली और सायल (बिना सिलिया) जीवों के प्रक्षेपवक्रों की तुलना दो झुकावों में की गई थी: ऊर्ध्वाधर और उल्टा, अर्थात्। अनुप्रस्थ विमान के सापेक्ष 180 ° उल्टा। टिप्पणियों से पता चला कि शरीर के मॉडल के कम से कम एक संस्करण ने ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास में दिए गए व्यवहार को सफलतापूर्वक महसूस किया, लेकिन एक औंधा (छवि संख्या 4) में नहीं।


चित्र संख्या 4

एक ऊर्ध्वाधर अभिविन्यास के साथ जीवों के आंदोलन की दिशा यादृच्छिक गड़बड़ी के तहत मॉडल की दिशा के साथ मेल खाती है। इससे पता चलता है कि अंतरिक्ष में सफल आंदोलन यादृच्छिक नहीं है, बल्कि जीव के मॉडल के डिजाइन का परिणाम है।

दूसरी विशेषता वस्तुओं का हेरफेर है। जब परीक्षण जीवों के वातावरण में ठोस कण थे, तो पूर्व ने उन्हें मॉडलिंग और व्यवहार में ( 3 एफ ) दोनों के साथ अनायास जोड़ना शुरू कर दिया।

यह व्यवहार शायद ही संरचित कहा जा सकता है, क्योंकि आवश्यक कार्य पैरामीटर सेट नहीं किए गए थे। अधिक सटीक डेटा जोड़कर इसे और अधिक सटीक रूप से महसूस किया जा सकता है: उदाहरण के लिए, उस क्षेत्र को इंगित करें जिसे कणों की सफाई करने की आवश्यकता है या किसी अन्य प्रकार के कणों को इंगित करने की आवश्यकता होती है जिन्हें हटा दिया जाना चाहिए, जबकि अन्य सभी को अनदेखा करना। दूसरा व्यवहार लागू किया गया था, लेकिन अब तक एक आदिम स्तर पर।

अगले चरण में, वस्तुओं को परिवहन करने की क्षमता दिखाने वाले जीवों का परीक्षण किया गया। कुछ जीवों को उनके अनुप्रस्थ विमान के केंद्र में एक छेद के माध्यम से हाइड्रोडायनामिक खींचें को कम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हालांकि, शरीर के इस क्षेत्र में कोई सिकुड़ा हुआ ऊतक नहीं थे।

विकासवादी एल्गोरिथ्म के बाद के चक्रों के दौरान यह छेद वस्तुओं को स्थानांतरित करने के लिए एक प्रकार के बैग में तब्दील हो सकता है, जिसका उपयोग दवाओं के स्थानीय वितरण के लिए किया जा सकता है।

एक अन्य विशेषता सामूहिक व्यवहार है। व्यावहारिक कार्यान्वयन के दौरान, दो जीवों की एक टक्कर देखी गई, जिससे अस्थायी यांत्रिक कनेक्शन का निर्माण हुआ। ये दोनों जीव एक-दूसरे के चारों ओर घूमने लगते हैं, और कुछ क्रांतियों के बाद फिर से स्पर्शरेखा प्रक्षेपवक्र के साथ अलग हो जाते हैं। इस तरह का व्यवहार बहुत अधिक स्पष्ट होगा यदि आप सिलिया के विकास को दबाते नहीं हैं, क्योंकि वे एक दूसरे के साथ दो जीवों के "उलझाव" की ओर ले जाते हैं, अर्थात्। उनका संबंध बहुत लंबा हो जाता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस अध्ययन को अद्वितीय कहना मुश्किल नहीं है, इसके परिणाम दिए गए हैं। वैज्ञानिकों ने मेंढक कोशिकाओं को लिया और उनसे नए बहुकोशिकीय जीव बनाए जो सफलता की अलग-अलग डिग्री में निर्दिष्ट कार्य करते हैं। यहां तक ​​कि इस काम के लेखक समझते हैं कि कई लोग स्वायत्त, कुछ सोच, रोबोट की संभावना से भयभीत हैं, अकेले जीवन के नए रूपों को जाने देते हैं। हालांकि, उनकी राय में, यह अध्ययन एक घटना के रूप में जीवन की बेहतर समझ की अनुमति देता है। इसके अलावा, विकसित एक्सनोबॉट्स चिकित्सा में सेवा कर सकते हैं, जीवित नैनो-सर्जन बन सकते हैं, रोगी के शरीर से हानिकारक या रोगजनक कोशिकाओं को हटा सकते हैं, या दवाओं के नैनो-कोरियर कर सकते हैं, उन्हें सीधे यह पहुंचाते हैं कि वे सबसे प्रभावी रूप से बीमारी से लड़ेंगे।

अपने सभी रूपों और अभिव्यक्तियों में जीवन सभी कमियों के बावजूद त्रुटिहीन है। प्रत्येक जीवित प्राणी बदलती जीवन स्थितियों के अनुकूल होने के लिए विकसित हुआ है। आधुनिक विज्ञान जीवन बनाने में सक्षम है, लेकिन केवल मौजूदा जीवों को बदलने के ढांचे के भीतर। लेकिन खरोंच से कुछ नया बनाने के लिए एक पूरी तरह से अलग काम है, और अधिक कठिन, अधिक महत्वाकांक्षी। कृत्रिम रूप से बनाए गए जीवों के उदाहरण हैं, लेकिन उनकी तुलना विज्ञान कथा लेखकों द्वारा वर्णित नहीं की जा सकती। इसके बावजूद, दुनिया भर के वैज्ञानिक एक नया जीवन रूप बनाने की उम्मीद में, अपने शोध को रोकते नहीं हैं। यह कहना अभी भी मुश्किल है कि प्रकृति के साथ खेलना कितना खतरनाक है। हालांकि, विज्ञान कथा लेखकों के अनुसार, ऐसी खोजों से अच्छाई नहीं आएगी। फिर भी, विज्ञान कथा साहित्य के कार्य, हालांकि कई मामलों में सामान्य रूप से समाज के भविष्य की भविष्यवाणी करते हैं और विशेष रूप से विज्ञान, केवल लेखक की कल्पना का अनुमान है। वर्तमान में xenobots सहित वर्तमान में विकसित की जाने वाली तकनीकों का उपयोग कैसे किया जाएगा, यह पूरी तरह से खुद पर निर्भर करता है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और हर किसी के लिए एक शानदार सप्ताहांत हो, दोस्तों! :)

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