BIOBOTEN MED FYRA "BEN" ÄR DESIGNAD AV EN DATOR.

BIOBOTAR är datorskapad biologi

Biobotar består av celler från den afrikanska klogrodan. I naturen skyddar hudceller grodans inre medan hjärtceller pumpar runt blod. En biobot uppför sig i stället som en robot – cellerna utför uppgifter som programmerats av datorn.

CYBORG korsar biologi och mekanik

Denna simmande rocka har skapats i laboratoriet på Harvard University. Kroppen består av silikon beklädd med flera lager hjärtceller – totalt har 200 000 celler från en råttas hjärta använts för att fungera som robotens muskler.

MOLEKYLROBOT kan driva motorer

Forskare har skapat så kallade molekylmaskiner, som är avlånga molekyler. De har en ringformig struktur som kan programmeras till att röra sig fram och tillbaka längs molekylen. Rörelsen kan till exempel frigöra energi som kan driva motorer.

som kombinerats med naturliga celler. Biobotarna är dock något helt nytt. Alla idigare livsformer skapade i laboratorier har tänkts ut och designats av forskare. Människor har alltså tagit fram detaljerade planer för hur deras egna ”monster” skulle uppföra sig när de väcktes till liv. De nya biobotarna har däremot programmerats av en dator och forskarna har bara följt datorns ecept för att skapa varelserna i petriskålar.

Digital evolution på 20 timmar

En ny livsform skapas utifrån några få grundläggande byggstenar – i biobotarnas all celler från den afrikanska klogrodan. Det örsta steget i det banbrytande projektet var att beskriva två typer av celler från grodan – hudceller och hjärtceller – som datakoder. Hudcellernas grundläggande egenskap i naturen är att skydda grodans inre mot bland annat infektioner utifrån, och dessa celler kan inte röra sig. Hjärtcellernas uppgift i naturen är att pumpa runt blod i grodans kropp, och de kan därför dra ihop sig och skapa rörelse. De två grundläggande egenskaperna, orörlighet och rörlighet, kopplades till cellerna som datorn sedan använde som 3D-byggklossar. Slutligen knappade forskarna in ett överordnat syfte, ill exempel ”snabb rörelse i en rät linje från punkt A till punkt B”, och så inleddes evolutionen – skriven i ettor och nollor.

Datorn arbetade med en så kallad evolutionär algoritm och kör sin egen, snabbare version av naturens mutationer. Det tog till exempel bara cirka 20 timmar att utveckla en biobot medan forskare från Oregon State University har kommit fram ill att det tar en miljon år för en väsentlig mutation, till exempel en ny kroppsstorlek, att bli en beständig egenskap hos en art. Datorrevolutionen började för varje enskilt syfte, till exempel styrka eller hastighet, att bygga 50 slumpmässigt komponerade biobotar. Dessa 50 ”designer” skapades i en simulerad 3D-värld där algoritmen kan bygga, testa, vidareutveckla och finjustera biobotarna. Därefter utvecklade datorn 50 nya biobotar som liknade de ursprungliga 50 biobotarna, men som hade försetts med pyttesmå mutationer och variationer i sammansättningen av byggklossarna.

De 100 biobotarna testades sedan i en datorsimulering, till exempel snabbhet över en petriskål. De 50 snabbaste biobotarna valdes ut medan de andra 50 kasserades. Därmed hade datorn kommit fram till en ny generation av de bäst lämpade biobotarna. Utifrån denna generation designade datorn 50 nya biobotar med små mutationer så att det totala antalet återigen blev 100. I ett nytt est utsågs de 50 snabbaste till ”vinnare” medan de 50 långsammaste sorterades bort. Så fortsatte evolutionen i 1 000 generationer.

Superdatorn som skapade biobotarna genomförde evolutionsprocessen för 100 olika varianter av de små levande robotarna. När den digitala evolutionen var färdig kunde biologer från Tuft University börja skapa varelserna med verkliga grodceller. Först tog de hud- och hjärtstamceller från foster av den afrikanska klogrodan. Cellerna sattes ihop i små bollar och fick växa genom celldelning. När de växt till 10 000 celler med växlande lager av hudceller och hjärtceller började forskarna skulptera varelserna efter datorns recept. Under ett mikroskop använde de pincetter och elektroder som normalt används för mikrokirurgi för att ta bort celler och närma sig datorns ”blueprint” så mycket som möjligt. Ungefär hälften av cellerna skars bort från varje biobot.

10 000 celler samlar plast

Biobotarna började uppföra sig som datorn hade förutspått. En del rörde sig i räta

37

linjer och några i cirklar medan andra tillfälligt gick ihop och arbetade parvis för att lösa uppgifter. Kopplingarna skedde spontant när biobotarna kolliderade med varandra och ”samarbetet” var ett beteende som datorn till forskarnas förvåning hade utvecklat i simuleringen. Det såg till och med ut som att en grupp biobotar tillsammans kunde samla in partiklar. Forskarna testade det digitala beteendet i verkligheten genom att fylla en petriskål med färgpartiklar och biobotar. Mycket riktigt samlade en grupp av biobotar in färgämnet i en hög. Resultatet ger forskarna hopp om att biobotarna en dag ska kunna lösa ett av vår tids stora miljöproblem och samla in partiklar av mikroplast i haven.

Biobotarnas förmåga att manipulera små föremål kan också komma till nytta i andra sammanhang. En typ av biobot har till exempel fått ett hål i mitten. Hålet har tagits fram av datorn i syfte att lösa uppgiften ”rörelse med minsta möjliga friktion i en vätska”. Men tack vara små mutationer visade det sig att hålet också kan användas till att transportera små objekt. Forskarna såg omedelbart nya möjligheter: En biobot skulle till exempel kunna transportera in nanopartiklar med cancermedicin i en cancerpatients kropp och möjliggöra exakt behandling av sjuka celler utan att skada den omkringliggande vävnaden som brukar vara fallet vid traditionell kemoterapi. Eftersom biobotar är mindre än en millimeter stor och bryts ned naturligt efter ungefär en vecka kan de bli kroppens nya budbärare och leverera små doser av medicin till olika platser i kroppen. Andra biobotar med förmågan att knuffa på föremål skulle kunna användas för att ta bort åderförkalkningar från patienters blodkärl.

Utöver att röra sig kan biobotarna också läka sig själva. Det upptäckte forskarna när de hade tagit upp ett hål i en av varelserna med en pincett, varefter nya celler växte fram och slöt hålet. Förmågan att läka sig själv står högt på önskelistan hos forskare och företag som utvecklar robotar som ska arbeta mer på egen hand än vad de gör i dag. Om en robot till exempel håller på att röja upp i ett katastrofområde efter en kärnkraftsolycka och får en skada kan det spara mycket tid om den reparerar sig själv i stället för att behöva vänta på assistans från sin mänskliga tekniker.

Forskarna försökte dessutom vända en av biobotarna på rygg varefter den nästan helt förlorade sin rörelseförmåga. Det stämde väl överens med resultaten från datorsimuleringen. Därmed stod det klart att sambandet mellan biobotarnas beteende

38 i den digitala och den analoga världen inte bara var en slump. Det här extra testet bevisade alltså att datorn verkligen hade skapat en ny livsform som uppförde sig exakt som den var programmerad.

Ny livsform ger ny era

Biobotarna markerar därmed inledningen på en ny tidsålder för datordesignat liv. Det har nu bevisats att en dator kan producera organismer som människor inte kunnat förutsäga, trots att forskarna själva har lagt

Datorsimuleringar visade till forskarnas förvåning att olika typer av så kallade biobotar kan samarbeta trots att de inte har några hjärnor. Principen testades i en petriskål med rosa färgpartiklar där biobotarna samlade in färgpartiklarna i en hög.

Tar bort plastavfall från världens hav

Olika typer av biobotar kan gå ihop och samarbeta. Därmed kan de lösa en uppgift mer effektivt – till exempel knuffa in små partiklar mot samma område. Forskare menar därför att biobotarna, som själva snabbt bryts ned i naturen, kan

amla in mikroplast i haven.

David Reitze, född 1961.

Amerikansk professor i fysik vid University of Florida. Vd för LIGO Laboratory vid California Institute of Technology (Caltech), USA.

David Reitze inledde en helt ny era inom fysik och astronomi när han 2015 tillsammans med en internationell forskargrupp observerade gravitationsvågorna efter kollisionen mellan två gigantiska svarta hål – 1,3 miljarder ljusår bort. David Reitze har dessutom gett ut mer än 250 olika vetenskapliga publikationer.

David Reitze bor i Florida, USA, med sin fru Isabelle Degremont och parets gemensamma dotter.