קסנובוט (Xenobot)

מה זה קסנובוט

קסנובוטים הם יצורים זעירים שנבנים מתאי צפרדע, לפי תכנון שמחשב מייצר. השם בא מהצפרדע ציפורנית אפריקאית (Xenopus laevis), שמהעוברים שלה נלקחים התאים. הקסנובוטים הראשונים היו קטנים ממילימטר. הדור הראשון שילב רקמת עור, שסיפקה את מבנה הגוף, ורקמת שריר-לב, שמתכווצת ומתרחבת ומשמשת להנעה, כמו מנועים זעירים. הקסנובוטים הראשונים הוצגו בינואר 2020, במאמר בכתב העת PNAS של צוות מאוניברסיטת ורמונט ומאוניברסיטת טאפטס: סם קריגמן, דאגלס בלקיסטון, מייקל לוין וג'וש בונגארד. השאלה מה הם בדיוק נשארה פתוחה, ולפי ויקיפדיה יש ויכוח בין מדענים אם הם רובוטים, אורגניזמים או משהו אחר לגמרי. בונגארד, מדען מחשב וחוקר רובוטיקה, הגדיר אותם כך: "הם לא רובוט רגיל וגם לא מין ידוע של בעל חיים. זה סוג חדש של חפץ: אורגניזם חי שאפשר לתכנת". חשוב להבהיר: לקסנובוט הראשון אין מוח ואין מערכת עצבים, ו"תכנות" כאן פירושו קביעת הצורה של הגוף ומיקום תאי השריר בו.

איך המחשב מתכנן גוף

התכנון נעשה בעזרת אלגוריתם אבולוציוני — שיטת חיפוש שמחקה ברירה טבעית. החוקרים הגדירו מטרה, למשל תנועה קדימה, ואבני בניין: "קוביות" וירטואליות פסיביות, שמייצגות תאי עור, ו"קוביות" מתכווצות, שמייצגות תאי שריר-לב. האלגוריתם יצר אוכלוסייה של גופים אקראיים, הריץ כל אחד מהם בסימולציה פיזיקלית ונתן לו ציון. גופים חלשים נמחקו, ובמקומם נכנסו עותקים ששונו מעט של הגופים המוצלחים. לפי המאמר, החוקרים הריצו 100 ניסויי אבולוציה נפרדים, כל אחד מאוכלוסייה אקראית אחרת, כדי לקבל מגוון של פתרונות. לפי הודעת אוניברסיטת ורמונט, החישוב נמשך חודשים במחשב-העל Deep Green של האוניברסיטה. אחר כך עברו התכנונים "מסננים": האם הגוף ממשיך לזוז גם כשתזמון ההתכווצות של תאי השריר משתנה באקראי, והאם אפשר בכלל לבנות אותו בידיים. פערים בין ההתנהגות בסימולציה להתנהגות במציאות הוחזרו לאלגוריתם כמגבלות על התכנונים הבאים — אתגר שמזכיר את הפער בין סימולציה למציאות, המוכר היטב ברובוטיקה.

מהמחשב לצלחת

בצד הביולוגי, החוקרים בטאפטס לקחו תאי גזע מעוברי צפרדע בשלב מוקדם, הפרידו אותם לתאים בודדים ונתנו להם להתאחות לגוש. את הגוש פיסלו תחת מיקרוסקופ במלקחיים של מיקרו-כירורגיה ובכלי צריבה בעל קצה תיל בגודל 13 מיקרון, עד שהתקבל קירוב לצורה שהמחשב תכנן. אחד הגופים, בעל ארבע "רגליים", היה בקוטר של 650–750 מיקרון — מעט קטן מראש סיכה. הגופים שנבנו נעו בכוחות עצמם ושוטטו בסביבה המימית שלהם במשך ימים או שבועות, ניזונים ממאגרי האנרגיה של העובר בלי מזון נוסף. כשהפכו אותם על הגב, הם נכשלו, כמו חיפושית שנהפכה. כשקבוצות שלהם הונחו בצלחת עם חלקיקים, הן דחפו את החלקיקים לערימות. כשחתכו קסנובוט כמעט לשניים, הוא "תפר את עצמו בחזרה והמשיך", כדברי בונגארד. מגבלת החיים היא גם תכונת בטיחות: לפי המאמר, ללא הנדסה מטבולית מיוחדת אורך חייהם מוגבל באופן טבעי, ולדברי בונגארד, בסוף העבודה "הם פשוט תאי עור מתים".

דור שני: ריסים וזיכרון

ב-2021 פרסם הצוות בכתב העת Science Robotics גרסה חדשה. במקום לפסל כל גוף ביד, החוקרים נתנו לתאים להתארגן בעצמם לכדורים שעל פני השטח שלהם צומחים ריסים — שערות זעירות שמשמשות כמשוטים. הריסים מתפתחים בתהליך רגיל של התפתחות רקמה, והתנועה לא דרשה עריכת גנום או שלד מלאכותי, ולכן אפשר לייצר קסנובוטים כאלה בכמויות. בתמיסת מלח פשוטה הם שרדו עד 10 ימים, ובתוספת מצע מזין — חודשים. לפי המאמר, הם שחו בדרכים מגוונות, התאחו אחרי פגיעה והפגינו התנהגויות קבוצתיות. החוקרים בנו גם מודל ממוחשב לחקר התנהגות קבוצתית ולבחינת תנאים שעשויים לעורר אותה. בנוסף, הם הדגימו "זיכרון מולקולרי": לעוברים הוזרק רנ"א שליח שמקודד לחלבון פלואורסצנטי בשם EosFP, שזוהר בירוק; חשיפה לאור כחול-סגול הפכה את הזוהר לאדום, וכך אפשר היה לזהות בדיעבד שהקסנובוט נחשף לאור. לפי ויקיפדיה, התנועה בעזרת ריסים פחות ניתנת לשליטה מאשר התנועה בעזרת שריר-לב.

שכפול בתנועה

בנובמבר 2021 דיווח הצוות ב-PNAS על תופעה שכינה "שכפול קינמטי". כדורי קסנובוט של כ-3,000 תאים הונחו בצלחת שבה פוזרו כ-60,000 תאי גזע בודדים. תוך כדי תנועה הם דחפו תאים לערימות, וערימה גדולה מספיק — לפחות 50 תאים — התפתחה בתוך כמה ימים לקסנובוט חדש, שגם הוא מסוגל לשחות ולאסוף תאים. לדברי המחברים, שכפול קינמטי כזה — שמוכר ברמת מולקולות — לא נצפה קודם ברמת תאים שלמים ואורגניזמים. אבל התהליך דעך מהר: בארבעה מתוך חמישה ניסויים עם כדורים רגילים היה דור אחד בלבד של צאצאים, ובחמישי — שני דורות. כאן נכנסה שוב הבינה המלאכותית: אלגוריתם אבולוציוני חיפש בסימולציה צורת "הורה" שתאסוף תאים טוב יותר, והגיע לצורה של חצי טבעת שהזכירה את פקמן. בניסויים שפורסמו, ההורים בצורת חצי טבעת אפשרו עד ארבעה סבבים של יצירת צאצאים. לפי הודעת אוניברסיטת ורמונט, המבנים במחקר נשמרו במעבדה, ניתן היה להפסיק את קיומם בקלות, והמחקר נבדק בידי מומחי אתיקה פדרליים, מדינתיים ומוסדיים; בונגארד אמר שהם "לא מה שמדיר שינה מעיניי".

מה הם לא, ומה בא אחריהם

קל לקרוא על "רובוטים חיים שמתרבים" ולדמיין יצור חושב. זו טעות: הדור הראשון שילב רקמות עור ולב, ובדורות מאוחרים יותר נוצרו מבנים בעלי ריסים, ובנוירובוטים גם רשתות עצביות. המחקרים מתארים פעילות תאית ותנועה, ואינם מדגימים מחשבה או כוונה. לוין, שעוסק בשאלה איך תאים משתפים פעולה כדי לבנות גוף, אמר ש"זה DNA של צפרדע במאה אחוז — אבל אלה לא צפרדעים", ושהחשש מתוצאות לא צפויות של התעסקות במערכות מורכבות "אינו מופרך". השימושים שהוצעו — איסוף מיקרו-פלסטיק, הובלת תרופות בגוף או גירוד רובד מעורקים — הם, לפי ויקיפדיה, אפשרויות עתידיות בלבד; היום הקסנובוטים משמשים בעיקר כלי מחקר להבנת האופן שבו תאים בונים גוף. מעבדתו של לוין המשיכה לכיוונים חדשים: ב-2023 הוצגו "אנתרובוטים", כדורים זעירים שמתארגנים בעצמם מתאי ריאה של אדם בוגר ושנמצאו מסוגלים לזרז איחוי של שריטות ברקמת תאי עצב בצלחת; וב-2026 הוצגו "נוירובוטים" — קסנובוטים שהושתלו בהם תאי קדם-עצביים, שהתפתחו לנוירונים פעילים; המבנים האלה הראו תנועות מורכבות יותר.