Ces chercheurs ont utilisé l'IA pour concevoir un tout nouveau "robot animal"

Les "xénobots" sont des robots vivants et autonomes qui nagent et mesurent moins d'un millimètre de diamètre. Ils sont développés par l'intelligence artificielle et construits à partir de cellules souches de grenouilles - et ils pourraient ouvrir de nouvelles frontières médicales.

TRANSCRIPTION:

Sam Kriegman: Il s'agit d'un robot autonome nageur vivant de moins d'un millimètre de diamètre.

Doug Blackiston : Donc certaines personnes avaient vraiment très peur de la technologie. C'est quelque chose de nouveau qu'ils n'ont jamais vu auparavant. D'autres personnes étaient vraiment enthousiasmées par la possibilité de traiter un certain nombre de maladies différentes chez l'homme.

Mike Levin: J'ai entendu cette idée que ce genre de travail est soi-disant jouer à Dieu, mais je reçois des appels téléphoniques chaque semaine de personnes souffrant des conditions les plus déchirantes, et toutes attendent de nouvelles connaissances scientifiques pour essayer d'améliorer la vie de tous .

Josh Bongard : Sont-ils des robots ? Ne le sont-ils pas ? Sont-ils des organismes ? Ne le sont-ils pas ? Ils nous obligent à brouiller les distinctions antérieures, ce qui pourrait nous permettre de voir le monde d'une manière nouvelle.

Kriegman: Les xénobots sont conçus par des ordinateurs, et nous les avons construits dans le monde réel à partir de vrais tissus vivants.

Lévin : Nous les appelons robots pour deux raisons : la grenouille dont ces cellules sont constituées s'appelle Xenopus Laevis. C'est de là que vient le xeno. Bot signifie robot car il s'agit d'une plateforme biorobotique profondément intéressante.

Bongard : Il n'y a pas de télécommande cachée sur le côté. Ils sont fabriqués à partir de cellules génétiquement non modifiées, mais ils ont été créés par l'IA. Et ils ne sont certainement pas un animal normal.

Ritu Raman : Ce n'est qu'au cours des dernières décennies que les connaissances de la biologie ont alimenté l'ingénierie et vice versa. Bon nombre des premières applications dans le domaine étaient très axées sur la médecine, alors réfléchissez à la façon dont nous assemblons des cellules pour fabriquer des tissus ou des organes de remplacement pour des applications médicales. Mais ensuite, ils ont également commencé à être plus enthousiastes à l'idée que nous pourrions peut-être construire des choses qui n'existent pas déjà dans la nature.

Blackiston : Et si vous poussez cela à l'extrême, c'est de là que vient vraiment ce projet de biobot. Pouvez-vous assembler des cellules et construire un organisme synthétique à partir de zéro ?

Lévin : C'est en fait un nouveau type d'ingénierie, qui est une collaboration avec votre matériau. Lorsque vous travaillez avec des cellules et des tissus, vous travaillez avec un matériau qui a en fait son propre programme. Il a des préférences, il a la capacité de résoudre certains types de problèmes. Il ne se comporte pas comme le bois et le métal pourraient se comporter lorsque vous savez exactement ce qu'il va faire.

Bongard: Cette toute nouvelle idée de construire des robots à partir de cellules vivantes semblait vraiment, vraiment difficile.

Blackiston: Notre recherche collaborative sur ce projet a débuté vers 2017.

Kriegman : Le plan initial était de réunir des informaticiens et des biologistes du développement dans la même pièce grâce à un financement pour travailler ensemble pour essayer de créer des systèmes d'IA et des robots qui pourraient fonctionner dans le monde réel, en s'inspirant de la biologie, qui est tellement adaptatif. Mais il n'y avait rien à propos de la construction de robots à partir de cellules de grenouilles. À l'époque, nous concevions des créatures virtuelles à l'intérieur d'un ordinateur, des robots mous dont on pouvait couper une partie de son corps et qu'il déformait pour retrouver sa fonctionnalité.

Blackiston : Pendant que nous faisions l'étude, j'avais observé les modèles simulés du Dr Bongard et du Dr Kriegman. Mais les choses qu'ils construisaient dans leur simulateur ressemblaient vraiment à des choses que nous pouvions construire avec des cellules de grenouille. Pourrions-nous construire biologiquement une sorte de fac-similé ?

Kriegman : Je n'étais pas vraiment sûr que cela allait être possible. J'aurais peut-être balayé Doug et dit, tu sais, bien sûr, va essayer de faire ça.

Lévin : Lorsque Doug a dit pour la première fois qu'il pouvait créer les différentes formes créées par Josh et Sam, je n'avais aucun doute qu'il le pouvait, car ces cellules sont vraiment motivées à travailler ensemble pour construire quelque chose. Ils peuvent s'adapter à toutes sortes de changements, à toutes sortes de perturbations expérimentales pour vraiment faire leur travail. Par exemple, il a créé des têtards avec des yeux sur la queue et a montré que ces cellules pouvaient voir.

Blackiston : Cela m'a donc intéressé à cette idée de modularité ou de morceaux d'un animal qui peuvent être déplacés comme des Lego et recollés ailleurs. Et si vous poussez cela à l'extrême, cela prend les morceaux de la grenouille en développement et construit quelque chose d'entièrement nouveau à partir de zéro. Et donc quand j'ai dit que c'était possible, je pense qu'ils ont probablement cru que c'était une blague. Et vraiment, c'est à un scientifique qui lance le gant. Alors maintenant, je dois le construire, non ? Je leur montrerai que cette technologie existe.

Bongard: À notre insu, Doug a passé la semaine à assembler très soigneusement des tissus de grenouille sous le microscope pour essayer de construire l'une des créations de Sam.

Kriegman : Honnêtement, je n'étais pas vraiment sûr de ce que je regardais au début. Si c'était juste une sorte de tour de passe-passe, mais c'était complètement inattendu. Et nous avons commencé à réaliser que si nous pouvions réellement copier le mouvement que nous avons vu dans la simulation, nous pourrions alors concevoir ces systèmes dans le simulateur et en faire une réalité. Et c'était très excitant.

Bongard : Doug est incroyablement talentueux, mais il lui faut encore environ 4 heures pour créer un xenobot d'une taille millimétrique. Il s'avère que l'IA peut créer des milliards et des milliards de conceptions candidates pendant des heures, des jours ou des semaines sur un superordinateur, ce qui est beaucoup plus efficace pour trouver des conceptions intéressantes et utiles que Doug peut créer.

Kriegman : Ce type de processus de conception s'inspire de l'évolution darwinienne et de la sélection naturelle et l'applique aux robots. Ce qui se passe, c'est que nous fournissons à l'ordinateur ces blocs de construction. Nous avons un bloc et il se contracte et s'agrandit. Ceci simule le tissu cardiaque, et nous avons un autre bloc qui n'est que des cellules de grenouille passives. Et d'abord, l'ordinateur assemble aléatoirement les blocs en un tas de conceptions aléatoires, puis nous fournissons un objectif comportemental. Que doit faire le système ?

Bongard : Lors de la toute première expérience, nous avons commencé par, nous voulions une machine de taille millimétrique qui marche le long du fond d'une boîte de Pétri. Fondamentalement, le supercalculateur supprime les créatures peu performantes, crée des copies modifiées au hasard des survivants.

Kriegman : Et sur plusieurs générations, cette population de conceptions de robots s'améliore à l'objectif. Vous pouvez faire évoluer leurs formes, leurs propriétés matérielles, leurs systèmes de contrôle. Et cela nous permet de traverser des milliards d'années d'évolution d'un coup.

Bongard: Mais finalement, nous récupérons la poignée de champions pour voir lesquels, le cas échéant, peuvent être transformés en réalité.

Blackiston : Chaque semaine, Sam me fournit un modèle de formes qui remplissent une fonction particulière, essentiellement un plan, presque comme si vous assembliez des meubles ou des Lego. Tout commence donc avec un embryon de grenouille en développement âgé de 24 heures. Et à ce stade, toutes les cellules sont encore des cellules souches. Les cellules STEM peuvent devenir n'importe quoi comme la peau ou un organe interne.

Mais nous avons un atlas qui cartographie ces différentes régions de l'embryon. Et donc au cours des prochaines 24 heures, j'ai très soigneusement, avec des outils de microchirurgie, récolté différentes parties de l'embryon et les ai rassemblées en différentes piles. Ces cellules sont donc naturellement collantes. Donc, si vous prenez des cellules souches en vrac et que vous les assemblez en un tas, elles adhèrent dans une sphère au fil du temps.

Et donc, si vous êtes très rusé et très prudent et que vous avez une très bonne motricité fine, vous pouvez maintenant prendre la sphère qui contient toutes sortes de tissus différents et la sculpter pour révéler une forme de la façon dont vous sculpteriez un morceau de bois. Je pense qu'il y a cette idée fausse que toute la biologie est cette discipline dure et rigoureuse et qu'il n'y a pas de créativité, de beauté ou d'art.

C'est incroyablement incroyable et relaxant de regarder dans l'oculaire et de construire quelque chose que personne n'a jamais vu auparavant. Mais il est également important pour la science de générer des formes qui ne seraient pas produites naturellement.

Bongard : Et il nous a fallu environ un an de plus pour pouvoir défendre cela. Il y avait une correspondance entre les algorithmes évolutifs, les rêves ou les conceptions et ce que nous obtenions dans la réalité. Au moment où nous avons eu ces premières données, je me suis levé de mon bureau, mes mains tremblaient et j'ai juste absorbé les implications que cela était possible.

Lévin : Quand j'ai vu ces créatures pour la première fois, j'ai été complètement époustouflé. Ils ont un mouvement spontané, ils se rassemblent et ont des interactions vraiment complexes dans un groupe. Ils peuvent se soigner. Donc, si vous en coupez un presque en deux, il se refermera et ce n'est que le début.

Blackiston : Ainsi, les premières conceptions que j'ai construites dans le laboratoire étaient cardiaques. Ce sont donc des cellules cardiaques. Et à travers les contractions, ceux-ci ont marché.

Kriegman: Mais finalement nous sommes passés aux cils.

Blackiston: Il s'agit donc de petites structures ressemblant à des cheveux à l'extérieur du corps.

Kriegman : Il produit un mouvement beaucoup plus rapide. Et en utilisant des cils, cela permet au robot de nager au lieu de ramper Et Doug, en essayant de visualiser le mouvement des xénobots qu'il a construits, a placé des particules de colorant au fond du plat Et ce que nous avons remarqué, c'est qu'ils auront tendance à créer des tas, ce qui nous a conduit à l'idée qu'ils pourraient être conçus pour être de meilleurs bulldozers.

Blackiston : Et c'est un comportement intéressant qui peut être exploité pour toutes sortes de travaux mécaniques intéressants. Mais Mike Levin a eu une idée de ce qui se passerait si ces particules étaient remplacées par des cellules souches. C'est donc le matériau dont sont faits les biobots eux-mêmes.

Kriegman : Et si les xénobots faisaient des tas de cellules assez gros, ces tas pourraient eux-mêmes former de petits bulldozers pour enfants. Ainsi, contrairement à tous les autres systèmes vivants que nous connaissons, les xénobots ne se reproduisent pas par croissance. Nous leur donnons des matériaux de construction supplémentaires et, comme un robot dans une réserve, ils se collent les uns aux autres en tant que matériaux pour construire une copie d'eux-mêmes.

Blackiston: Donc, juste en commençant la première génération en forme de C, les sphères qui ont été créées étaient beaucoup plus grandes, ce qui a créé une progéniture plus grande et nous a permis d'obtenir les cinq à six générations.

Bongard : Nous ne voulons pas d'auto-réplication incontrôlée. C'est une chose dangereuse. Mais pour un roboticien, la prise de conscience que les xénobots pourraient s'auto-répliquer est un gros problème car les roboticiens essaient de créer des machines auto-réplicantes depuis très longtemps. Il semble que lorsque vous faites cela avec des matériaux vivants, c'est soudainement beaucoup plus facile

Blackiston: La chose qui m'a pris de loin le plus au dépourvu dans tout ce projet a été la réaction du public.

Bongard : De nombreux médias mondiaux ont vu cela comme une énorme percée, qui a été suivie d'un déferlement massif d'opinions sur les réseaux sociaux. Peur, paranoïa, excitation.

Blackiston : C'est devenu fou. Nous recevions des tweets, des publications Instagram et des reportages de pays du monde entier.

Bongard: Les xénobots pourraient s'échapper du laboratoire et se répliquer de façon incontrôlable.

Lévin : Maintenant, beaucoup de gens diront, eh bien, ce n'est pas des choses naturelles ou soi-disant qui ne devraient pas être créées. Mais nous devons vraiment comprendre l'éthique de cela, tout comme toute autre expérience biologique, il est vraiment, vraiment essentiel de réfléchir avant de faire quoi que ce soit.

Caroline Neuhaus : Lorsque j'ai lu pour la première fois des articles sur les xénobots, ma réponse en tant que bioéthicien a été qu'il m'était très difficile de les considérer comme moralement différents des autres tissus dans un plat. Je comprends qu'elles sont différentes des cellules que nous cultivons normalement parce qu'elles ont en quelque sorte reçu une tâche à accomplir. Toute manipulation qui se produit n'affecte pas encore la façon dont un animal interagit avec l'environnement.

Il devrait toujours être sur notre radar que les gens pourraient faire des choses néfastes avec les connaissances produites ou les technologies utilisées dans cette recherche. Mais ce n'est pas ce à quoi les gens réagissent lorsque le public apprend qu'il existe un robot fait de cellules. Je ne pense pas que les gens aient tort de penser Oh, ça me rappelle Frankenstein.

Il n'est pas surprenant que les gens continuent de revenir à ce trope de scientifiques créant des choses dans le laboratoire qui ne peuvent pas être contrôlées parce que c'est celui qui est constamment dans la culture pop. C'est dans le genre d'imaginaire social qui informe nos croyances et nos opinions. Encore une fois, cela ne se produira pas dans ce cas, mais je pense que le manque de clarté et de certitude sur ce qui a été créé exactement alimente définitivement une réaction négative parmi les personnes qui lisent à ce sujet.

Il n'y a donc pas de consensus scientifique sur la définition d'organisme, et il n'y a pas de consensus sur ce qu'est un robot. L'ambiguïté des termes produit alors une incertitude morale et une ambiguïté morale. Que se passe t-il ici? Qu'est-ce que c'est? Il est alors faux que ce soit le dernier mot. C'est une entrée dans le calcul de ce que nous devons à la créature que nous avons créée ?

Quels sont les types de garanties et de surveillance que nous devrions avoir sur la recherche ? Et où allons-nous à partir de là ? C'est la conversation qui doit avoir lieu à ce stade.

Lévin : Je pense vraiment à la vieille histoire d'Adam nommant les animaux dans le jardin d'Eden. C'est l'idée que nous devons déterminer quels critères nous allons utiliser pour établir notre relation avec ces autres êtres. Et de ce point de vue. C'est le premier pas vers une nouvelle science pour vraiment trouver l'essence de nouveaux types d'organismes synthétiques par la robotique qui vont être très abondants. Et dans les décennies à venir, ils seront tout autour de nous.

Raman : Il nous reste encore pas mal de défis à relever dans ce domaine. Je suis professeur de génie mécanique au MIT, et dans mon laboratoire, nous examinons spécifiquement comment nous pouvons construire des machines que nous appelons bio-hybrides parce qu'elles sont en partie biologiques et en partie faites de matériaux synthétiques. Les robots biologiques que nous construisons sont alimentés par des tissus musculaires afin que chaque fois que le muscle se contracte, vous puissiez obtenir quelque chose qui ressemble à un mouvement.

Le tissu musculaire réel qui ressemble à une gelée rose comme un élastique a été formé à l'aide de ces cellules musculaires squelettiques de souris que nous avons génétiquement modifiées de sorte que lorsque nous les éclairons avec une lumière bleue, le muscle se contracte. Ce à quoi nous pensons vraiment en ce moment, c'est comment prendre tous ces autres types de cellules comme les neurones moteurs, puis faire en sorte que les neurones se développent dans le muscle et forment des connexions fonctionnelles qui peuvent activer ou désactiver des parties du muscle. Nous pourrions potentiellement utiliser cela pour programmer un amas de cellules souches dans n'importe quelle forme.

Lévin : La réponse à cette seule question : quel genre de signaux pourrions-nous donner à ces cellules pour les amener à faire quelque chose de différent est vraiment la porte d'entrée vers une amélioration profonde de la santé humaine. Malformations congénitales, blessure traumatique, cancer, maladie dégénérative. Toutes ces choses pourraient être résolues si nous avions la capacité de dire aux cellules quoi construire. Une fois que nous aurons compris comment cela fonctionne, nous pourrons tester cela dans les xénobots en montrant que nous pouvons faire en sorte que les cellules construisent toutes les structures que nous voulons, et cela ira directement vers la médecine régénérative à l'intérieur des corps chassant les cellules cancéreuses pour une réparation régénérative.

Et soyons clairs. Je ne pense pas qu'en fait quelqu'un, bien sûr, fabriqué à partir de cellules de grenouille puisse être dans un corps humain. Mais à mesure que nous nous dirigeons vers la médecine humaine, la prochaine étape consistera à les fabriquer à partir de cellules de mammifères et éventuellement à partir des propres cellules d'un patient.

Raman : Fabriquer un robot entièrement biologique qui pourrait entrer dans le corps et effectuer une tâche fonctionnelle pour restaurer la santé de quelqu'un. Leur qualité de vie est certainement dans le domaine du possible. Mais en fin de compte, nous voulons des robots capables de résoudre tout un tas de problèmes différents.

Bongard: Nous sommes optimistes quant à la possibilité de créer une IA de plus en plus puissante qui imagine des biobots de plus en plus complexes, utiles, peut-être à usage général.

Kriegman: Donc, la prochaine étape évidente du point de vue de la robotique est d'ajouter des capteurs afin qu'ils puissent se rapprocher ou s'éloigner d'un stimuli.

Forgeron : Nous aimerions concevoir le système pour qu'il réponde intelligemment aux signaux environnementaux de toutes sortes. Vous pouvez donc imaginer créer des biorobots sentinelles qui détectent les contaminants dans l'environnement, puis vous les récupérez et vous avez une lecture biologique de ce qui se passe dans la voie navigable locale.

Bongard : Nous avons aussi tout un tas de défis technologiques devant nous. Ce que nous aimerions faire, pour le meilleur ou pour le pire, c'est remplacer Doug par une usine de fabrication biologique capable de produire des millions, voire des milliards de biobots. Cela pourrait nous permettre d'étendre cette technologie. Mais je pense que leur implication la plus importante à long terme est qu'ils sont de nouveaux instruments scientifiques. C'est un nouveau type de télescope ou de microscope.

Forgeron: Et donc nous avons tout un programme de recherche séparé qui en découle pour vraiment comprendre certaines des règles de base que les cellules utilisent pour s'assembler, pour traiter les maladies humaines.

Lévin: Et puis, bien sûr, nous allons essayer d'augmenter leurs capacités cognitives en demandant, que faut-il pour rendre un ensemble de cellules plus apte à naviguer dans les problèmes dans divers espaces ?

Kriegman : Comment passe-t-on d'une simple boule de moteurs à une boule ou une autre forme de capteurs, de mémoire et de moteurs ? Et puis peut-être que nous pourrons réaliser quelque chose qui peut apprendre et montrer une cognition de niveau supérieur.

Bongard: Cela va nous aider à comprendre les fondements de l'intelligence neurologique.

Lévin :Pensez-y. Nous étions tous des organismes unicellulaires autrefois. Nous étions des bactéries avant cela. Et maintenant, vous et moi nous sentons comme une intelligence intégrée et centralisée avec nos propres souvenirs, nos espoirs et nos préférences. Il n'y a pas eu de moment où un éclair magique a dit, d'accord, avant vous n'étiez que chimie et physique, mais boum, maintenant vous êtes une créature cognitive. Cela n'arrive pas.

Nous ne pouvons pas rembobiner la bande de la vie sur Terre, mais nous pouvons créer des xénobots pour demander comment de petites sous-unités compétentes travaillent ensemble pour créer un esprit plus grand ? C'est peut-être le casse-tête le plus profond auquel nous sommes confrontés.

Forgeron: On a parfois l'impression qu'il y a de la magie dans le processus de conception, et cela peut sembler assez important alors que ces questions commencent à se transformer en programmes de recherche de plus en plus vastes.

Lévin : Il y a tellement de questions ici qui vont vraiment au-delà des frontières connues qu'elles écrasent elles-mêmes toutes nos définitions d'organisme, d'animal, de robot. Aucun de ces termes n'est approprié aujourd'hui dans son sens originel. Mais nous sommes très certainement à la limite de nombreuses inconnues ici. C'est très excitant.

Kriegman: L'IA ne peut pas simplement concevoir des parties de systèmes biologiques comme des protéines, mais elle peut concevoir de tout nouveaux types d'organismes qui ont une apparence et une action complètement différentes de tout ce qui a existé sur Terre.

Bongard: Mère Nature travaille ici sur la planète Terre depuis 3,5 milliards d'années, et malgré son immense capacité créative, elle n'a exploré qu'une très, très, très petite partie du morpho-espace, l'espace de tous les organismes possibles Ce serait magnifique et il est beau et merveilleux d'ouvrir plus grand nos yeux, de comprendre non seulement la vie telle qu'elle est, mais de comprendre la vie telle qu'elle pourrait être.