世界初の「自己複製」する生体ロボットが誕生。科学者たちの次なる目標とは？

この記事はLeiphone.comから転載したものです。転載する場合は、Leiphone.com公式サイトにアクセスして許可を申請してください。

こんなの今まで見たことないよ！世界初の生体ロボットが新たな生命再生の形を生み出す！

ロボットに対するあなたの印象は、銅の頭と鉄の額を持つ機械の体というものです。

それとも、鉄筋コンクリートや重い木材で作られた巨大な構造物でしょうか?

そこで、科学者たちはすぐに生きたロボットの集団を編成しました。これが世界初の集団です。

さらに、これらのロボットは自己複製することができます...

これは、バーモント大学、タフツ大学、ハーバード大学ワイス研究所の科学者によって発見された、生物学的生殖のまったく新しい形態であり、史上初の「自己複製」生体ロボットを生み出した。

現在、この研究成果は2021年11月29日に米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されています。

論文リンク: https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

昨年、この学者グループは進化アルゴリズムを頼りに、カエルの表皮細胞と心筋細胞を使って世界初の生きたロボットを作り上げ、 「Xenobot」と名付けた。

「Xenobot」は従来のロボットや既知の動物種とは異なり、新しいタイプのプログラム可能な生物です。さらに、自律的に動くことができ、切れても自己治癒することができます。

自律型ゼノボット

自己修復するゼノボット

しかし、当時の第一世代の「ゼノボット」は自己複製を完了することができなかった。

現在、研究チームはこの問題を克服し、自己複製が可能な初の生体ロボットを作成した。

研究チームは、コンピューターで設計され、手で組み立てられたこれらの生物が、小さな皿まで泳いでいき、何百もの単一細胞を見つけて集め、そして「パックマン」の形をした「口」の中に「次世代」ゼノボットを組み立てることができることを発見した。

数日後、これらの「次世代」は、親のように見え、行動する新しい世代のゼノボットになります。これらの新しいゼノボットは、外へ出て細胞を探し、自分自身のコピーを作成し続け、そのサイクルは無限に続きます...

1. Xenobot はどのようにして自己複製するのでしょうか?

ゼノボット自体は、何千ものアフリカツノガエルの胚細胞から構成される細胞塊です。生殖が正常であれば、これらの胚細胞は最終的にオタマジャクシのさまざまな部分へと発達します。

しかし、米国のバーモント大学とタフツ大学の研究チームは、元の胚細胞をさまざまな部分に切り分け、コンピューターシミュレーションによる構造に従って再構築し、人工的にこの新しい生命を「生み出した」。

「生命が再生、つまり自己複製できる方法はすべて解明されていると長い間信じられてきた」とタフツ大学の上級科学者でこの研究の共著者であるダグラス・ブラッキストン氏は語った。しかし今回私たちが発見したのは、これまで見たことのないものでした。

コンピューターで設計されたこれらの細胞クラスターはカエルのゲノムを持っていますが、オタマジャクシになることを選んだわけではありません。その代わりに、集団的知恵の行為のように見えるが、彼らは衝撃的なことをした。

たとえば、自己複製。成熟した細胞のグループが、散らばった胚細胞のグループ内にある場合、それらの個別の細胞は自発的に積み重なります。

クラスターが十分に大きい場合、細胞は泳ぐ繊毛を持つ子孫に成長することができます。しかし、このプロセスは非常に不確実です。

温度範囲、胚細胞の密度、成熟細胞集団の数とランダムな挙動、溶液の粘度、培養皿の表面形状、汚染はすべて複製に影響します。

したがって、第 1 世代の Xenobot の自己複製は最大 2 ラウンドしか持続できません。このレプリケーション サイクルを拡張するにはどうすればよいでしょうか?ここで AI アルゴリズムが役に立ちます。

2. AI はどのようにして複製サイクルを拡張するのでしょうか?

球状の細胞塊は再生に適さないので、他の形状を試してもよいでしょうか?では、この問題をどうやって克服すればいいのでしょうか?

自己複製するゼノボットはもともと、バーモント大学のスーパーコンピューター上で稼働する AI プログラムによって考案された。研究者らは、どの細胞構成が自己複製できるかを発見することを目的として、シミュレーションで数十億の生物の体型をテストする進化アルゴリズムを実行した。

最終的に、AI は 1980 年代のアーケード ゲームのキャラクターであるパックマンのような形をしたセルのグループという、勝利を収めるデザインを見つけました。 「パックマン」の形状では、ゼノボットの自己複製システムの寿命が最大 2 世代から 4 世代に増加しました。

研究の共著者でタフツ大学の上級科学者であるダグラス・ブラッキストン氏は、AIが提供した設計図を基に、マイクロはんだごてと外科用鉗子を使って、3,000個のカエル細胞で構成され、ペトリ皿の中で泳ぐことができるゼノボットの母体を手作業で切り出した。

その後、ペトリ皿に追加されたカエルの細胞が母ゼノボットの原料となり、パックマンの形をした「口」の中に新しいゼノボットを作るために使われた。数日後、新しいゼノボットは新しいゼノボットの母親に成長しました。この自己複製プロセスは、カエルの細胞原料をペトリ皿に継続的に追加することで、何世代にもわたって継続することができます。

アフリカツメガエルでは、これらの胚細胞が皮膚に成長し、オタマジャクシの外側に付着して病原体をブロックし、粘液を再分配します。しかし研究チームはこれらの細胞を新たな環境に置き、細胞自身の多細胞性を再考する機会を与えた。

皮膚だけになりたい細胞は良い細胞ではないことが判明しました。

「人類は長い間、生命が繁殖したり複製したりするあらゆる方法を解明したと考えてきたが、この方法はこれまで観察されたことがなかった」と、カリフォルニア大学バークレー校の博士研究員ダグラス・ブラッキストン氏は語った。

約 3,000 個の細胞から構成される Xenobot マザーは、球体を形成します。これらの球体は再生することができますが、その後、システムは通常死にます。実際には、システムを継続的に複製することは非常に困難ですが、スーパーコンピューターのクラスターで実行される AI プログラムの助けを借りて、進化アルゴリズムは、三角形、正方形、ピラミッド、ヒトデなどのシミュレートされた環境で数十億の体の形状をテストし、動きに基づく「運動学的」複製でより効率的な細胞を見つけることができます。

「生物や生命システムの中にこれまで知られていなかった空間があり、それが広大な空間であることがわかった」とバーモント大学工学・数理科学部の教授であるボンガード氏は語った。それで、「その空間をどうやって探索するのでしょうか？ 歩くゼノボット、泳ぐゼノボットを発見しました。この研究では、自己複製できるゼノボットを発見しました。次は何でしょうか？」

おそらく、科学者たちが米国科学アカデミー紀要に掲載された研究で書いているように、生命は表面のすぐ下に驚くべき行動を隠しており、発見されるのを待っているのかもしれない。

3.次の目標は何ですか?

運動学的自己複製により、他の既知の生物学的生殖形式と比較して、各世代の子孫の数を大幅に増減することが可能になります。これは、生物が、単に自分自身を複製するのではなく、異なるサイズ、形状、有用な行動を持つ子孫を生み出すように自動的に自分自身を設計することを学習できる可能性があることを示唆しています。

したがって、チームの次の目標は、生きたロボットを使って下水道からプラスチック粒子を取り除いたり、新しい薬を作ったりするなど、人々が問題を認識する段階から解決策を提供する段階への移行を加速させることです。

「私たちはこの複製という特性を理解しようとしています。世界とテクノロジーは急速に変化しており、社会全体がその仕組みを研究し理解することが重要です」とボンガード氏は語った。

研究チームは再生医療に向けた生きたロボットの開発に将来性を見出している。

「細胞の集合体に望むことをさせる方法がわかれば、究極的には、外傷、先天性欠損、ガン、老化などの解決策のような再生医療が実現できる」とレビン氏は説明した。これらの問題は、細胞集団の構築を予測し制御する方法がわからないために発生します。

研究者らは「生命の表面下には、私たちが発見するのを待っている驚くべき行動がまだまだたくさん隠されている」と述べている。

しかし、異なる解釈をする人もいます。例えば、ネットユーザーの中には、人工生命、集合知、自己複製といった自己複製バイオテクノロジーの概念に不安を感じたり、恐怖を感じたりする人もいるかもしれません。それで、次は何でしょうか?制御不能に陥り、破壊されてしまうのでしょうか?

この質問に答えるには、まず Xenobot が知的であるかどうかを明らかにする必要があります。

ゼノボットは知能を持っているかと尋ねられたとき、ブラックイストン氏は、ゼノボットそのものに知能があるのではなく、設計とプログラミングの段階で知能が発生するため、ゼノボットを「プログラム可能な生物」と呼ぶことを好むと述べた。 「彼らは賢くないというのが私の見解だ」とブラックイストン氏は語った。しかし、彼はこの研究が科学的定義に異議を唱えるものであることに同意している。

「こうしたテクノロジーのせいで定義が消えつつある」とボンガード氏は付け加えた。異種ロボットはAIの産物であり、AI自体が人間が知性の標準的な定義を消し去るのに役立っているのだ。

したがって、この研究については人によって意見が異なります。現在の研究結果をあまり心配する必要はありません。結局のところ、歴史は科学技術の発展が長期的には人類に利益をもたらすことを証明しています。