Robot sống ra đời như thế nào?

Một nhóm nhà khoa học đã tái sử dụng tế bào sống lấy từ phôi thai ếch và lắp ráp chúng thành một dạng sống hoàn toàn mới. Những xenobot rộng chưa tới một milimet này có thể di chuyển về phía mục tiêu, tải hàng (như thuốc cần đưa tới vị trí đặc biệt trong cơ thể bệnh nhân).

"Đây là những cỗ máy sống mới", Joshua Bongard, nhà khoa học vi tính kiêm chuyên gia về robot ở Đại học Vermont (UVM), đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ. "Chúng không phải là robot truyền thống cũng không phải một loài động vật đã biết. Đây là một tổ chức sống có thể lập trình".

Sinh vật mới được thiết kế trên siêu máy tính ở UVM, sau đó lắp ráp và thử nghiệm bởi các nhà sinh vật học ở Đại học Tufts. "Chúng ta có thể tưởng tượng nhiều ứng dụng hữu ích của những robot sống này mà nhiều cỗ máy khác không thể làm được như nghiên cứu hợp chất độc hại hoặc ô nhiễm phóng xạ, thu thập vi nhựa ở biển, di chuyển trong động mạch", Michael Levin, giám đốc Trung tâm tái tạo và sinh học phát triển ở Tufts, đồng trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết trong bài mô tả xenobot trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences hồi tháng 1/2020.

Sau nhiều tháng xử lý trên cụm siêu máy tính ở Trung tâm tin học tiên tiến Vermont thuộc UVM, nhóm nghiên cứu bao gồm trưởng nhóm, nghiên cứu sinh tiến sĩ Sam Kriegman, sử dụng một thuật toán tiến hóa để tạo ra hàng nghìn thiết kế tiềm năng cho dạng sống mới. Nhằm hoàn thành một nhiệm vụ do các nhà khoa học phân công, máy tính lắp ráp hàng trăm tế bào mô phỏng thành vô số hình dạng. Khi chương trình chạy dựa trên quy tắc cơ bản của sinh lý học, tổ chức mô phỏng thành công hơn sẽ được giữ lại và cải tiến trong khi thiết kế thất bại bị loại bỏ. Sau 100 lần chạy thuật toán độc lập, thiết kế hứa hẹn nhất được lựa chọn để thử nghiệm.

Sau đó, nhóm nghiên cứu ở Tufts, đứng đầu là Levin, chuyển đổi thiết kế trên máy tính thành dạng sống. Đầu tiên, họ thu thập tế bào gốc lấy từ phôi thai ếch châu Phi Xenopus laevis, tách thành từng tế bào riêng lẻ để ấp. Sau đó, sử dụng chiếc kẹp cực nhỏ và điện cực thậm chí còn nhỏ hơn, tế bào được cắt và nối dưới kính hiển vi thành hình dáng gần với thiết kế trên máy tính nhất.

Sau khi lắp ráp thành hình dáng chưa bao giờ thấy trong tự nhiên, những tế bào bắt đầu kết hợp với nhau. Tế bào da hình thành kết cấu bị động hơn trong khi sự co thắt của tế bào cơ tim được sử dụng để tạo ra chuyển động hướng về phía trước như thiết kế máy tính. Mô hình tự tổ chức góp phần cho phép robot tự di chuyển. Tổ chức lập trình này có thể di chuyển nhịp nhàng, khám phá môi trường nước trong vài ngày hoặc vài tuần nhờ năng lượng dự trữ trong phôi thai. Tuy nhiên, khi lật ngược lại, chúng không thể hoạt động giống như bọ cánh cứng bị ngã ngửa.

Thử nghiệm sau đó cho thấy các nhóm xenobot có thể di chuyển xung quanh theo vòng tròn, đẩy viên đạn nhỏ tới vị trí trung tâm đồng thời và phối hợp cùng nhau. Những xenobot khác được chế tạo với lỗ ở giữa để giảm lực cản. Trong phiên bản mô phỏng của chúng, nhóm nghiên cứu có thể tái sử dụng lỗ hổng này làm túi chứa để mang thành công một đồ vật.

Nhiều loại robot cấu tạo từ thép, bê tông hoặc nhựa. Vật liệu như vậy có thể giúp robot trở nên rất khỏe hoặc linh hoạt, nhưng đồng thời cũng tạo ra vấn đề về sinh thái và sức khỏe con người như ô nhiễm rác thải nhựa trên biển và sự độc hại của nhiều vật liệu nhân tạo và thiết bị điện tử.

"Mặt trái của mô sống là nó khá yếu và có thể phân hủy", Bongard giải thích. "Đó là lý do tại sao chúng tôi sử dụng thép. Nhưng các tổ chức sống đã có lịch sử 4,5 tỷ năm tự tái tạo. Khi ngừng hoạt động, chúng thường tan rã một cách vô hại. Những xenobot này có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn. Khi hoàn thành công việc sau 7 ngày, chúng sẽ chỉ còn là tế bào da chết".

Trong thí nghiệm mới, các nhà khoa học cắt xenobot và theo dõi những gì xảy ra. Khi họ cắt robot gần đứt đôi, nó tự lành trở lại và tiếp tục hoạt động. Đó là điều các cỗ máy thông thường không thể làm được.

Để một tổ chức sống phát triển và vận hành, cần có sự chia sẻ thông tin và hợp tác giữa các tế bào mọi lúc. Nhóm nghiên cứu nhận định xenobot là một bước tiến giúp họ ứng dụng hiểu biết về mã hóa điện sinh học trong ngành sinh vật học và khoa học vi tính.