Lộ diện sinh vật lập trình đầu tiên trên thế giới

Các hạt vật chất li ti là dấu vết các Xenobot để lại. Được tạo ra từ các tế bào nên những robot này chuyển động rất phức tạp.

Qua kính hiển vi, có thể thấy những đốm sáng Xenobot nhỏ chuyển động theo nhiều hướng khác nhau trong một môi trường lỏng. Khi thấy các mảnh vụn tế bào, các Xenobot sẽ xếp chúng thành các chồng nhỏ. Khi bị gõ nhẹ vào lưng, chúng sẽ nằm đó như một chú rùa lật ngửa.

Các hạt vật chất li ti là dấu vết các Xenobot để lại. Được tạo ra từ các tế bào nên những robot này chuyển động rất phức tạp. Ảnh: Douglas Blackiston.

Điều này gợi nhớ đến hình ảnh một con giun dẹp siêu nhỏ đang bắt mồi hay một loài động vật phức tạp như bọ gấu nước. Nhưng thực ra, những đốm sáng Xenobot này chỉ được cấu tạo từ 2 bộ phận: tế bào da và tế bào từ tim ếch.

Xenobot được tạo ra từ tế bào gốc của ếch Xenopus laevis (ếch có vuốt châu Phi). Trong văn bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà nghiên cứu đã tạo ra sinh vật này với các phép toán tiến hoá. Nhờ những chuyển động phức tạp của mình, loại “robot sống” này được kì vọng giúp các tế bào không bị dính vào nhau và giúp giải mã bí ẩn của giao tiếp tế bào.

Chuyên gia Michael Levin – đồng đứng đầu nghiên cứu từ đại học Tuftsm (Mỹ) cho biết cách thức phối hợp của các tế bào gây nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu. “Chúng tôi tập trung nghiên cứu cách các tế bào phối hợp với nhau để tạo ra các cấu trúc chức năng cụ thể.” Từ đó, các nhà khoa học sẽ tiến thêm một bước trong quá trình giải mã bí ẩn về chức năng của tế bào.

Ảnh: Sam Kriegman và Josh Bongard, UVM.

Levin cùng các đồng nghiệp đã bắt đầu thiết kế các Xenobot từ chính các tế bào và một số thuật toán tiên tiến. Các nhà nghiên cứu lấy tế bào gốc từ phôi ếch và biệt hóa chúng thành tế bào tim và tế bào da. Sau đó, qua kính hiển vi, họ kết hợp các tế bào thụ động và chủ động lại với nhau và sử dụng các tế bào gốc để làm chất kết dính.

Cuối cùng, một số Xenobot có hình dạng như cái nêm, số khác thì có hình vòm. Trong ảnh trên, các ô vuông bên trên là các tế bào thụ động (da), còn các ô màu lục và đỏ bên dưới là các tế bào chủ động (tim).

Khi các Xenobot di chuyển, các nhà nghiên cứu có thể quan sát cách sắp xếp tế bào và hình dạng chung của chúng, để tìm hiểu về mối liên hệ giữa cấu trúc và chuyển động của chúng. Sau đó, tất cả dữ liệu này được gửi cho nhóm các nhà khoa học máy tính để xây dựng một môi trường mô phỏng cho các phiên bản kỹ thuật số của Xenobot.

Các nhà khoa học cho chạy các thuật toán tiến hóa và sao chép các quá trình chọn lọc tự nhiên, để xem cách thức cấu trúc của Xenobot giúp nó di chuyển về phía trước. Hệ thống này tìm kiếm các chuyển động của các hình dạng Xenobot, và khám phá cách các hình dạng mới này ảnh hưởng đến chức năng. Các Xenobot có thể thực hiện một nhiệm vụ cụ thể trong mô phỏng sẽ trở thành Xenobot thế hệ mới.

Hàng trên là hình ảnh các robot được thiết kế bởi máy tính, hàng dưới là hình ảnh thực ngoài đời. Ảnh: Douglas Blackiston.

Chuyên gia Levin cùng các đồng nghiệp sau đó thử xây dựng một số hình dạng này. Các nhà nghiên cứu gửi những Xenobot thành công trở lại cho các nhà khoa học máy tính để điều chỉnh trình giả lập. Theo chuyên gia Levin: “Sự trao đổi qua lại giữa thiết kế máy tính và sinh học giúp họ hiểu được các quy tắc của sinh học.”

Những Xenobot dù không không có não nhưng hoạt động hết sức phức tạp. Chuyên gia Levin cho biết: “Các Xenobot luôn thay đổi chuyển động của mình.” Khi chúng gặp các tế bào lỏng lẻo khác, chúng sẽ chia thành từng đống nhỏ. Dù Xenobot bị chia cắt, chúng vẫn sẽ hợp lại với nhau, à la T-1000 từ Terminator 2. Hai xenobot có thể kết hợp với nhau và đi cùng nhau như một cặp đôi hạnh phúc. Hay với một lỗ bên trong, một Xenobot có thể nhặt và mang đồ.

Một loạt hình dạng phong phú của xenobot từ các thuật toán tiên tiến. Ảnh: Douglas Blackiston.

Các nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu phương thức và cách kiểm soát giao tiếp giữa các tế bào. Xenobot là một sinh vật có một không hai: nó vừa là một sinh vật sống được tạo ra từ các tế bào gốc, vừa là một cỗ máy được lập trình có khả năng thực hiện một số hành động nhất định. Điểm đáng chú ý là các hành động đặc biệt của Xenobot, chứ không phải là các tế bào ếch cấu tạo nên chúng.

Xenobot đã tiên phong mở ra một dòng robot hoàn toàn mới. Trước đây, với các bộ phận cơ khí nhân tạo, robot thường được chế tạo giống con người, chúng có thể đi lại và thực hiện các thao tác như con người. Trong khi đó, trong cơ thể con người, các tế bào giao tiếp với nhau để tạo ra các mô, hợp tác với nhau để tạo ra các cơ quan nội tạng một cách thông minh.

Con đường trước mắt là không dễ dàng. Tønnes Nygaard, người nghiên cứu về robot tiến hóa tại Đại học Oslo, cho biết: “Việc chế tạo robot từ mô sống sẽ còn nhiều thách thức.” Các robot thông thường rất khó thích nghi với thế giới thực ngoài kia. Nhưng robot từ các tế bào sống và kỹ thuật tiến hóa này có thể tự thích nghi với môi trường như các sinh vật sống thực sự.

Vì vậy, hãy chào đón sinh vật robot lai đặc biệt Xenobot. Mong rằng sẽ được thế giới đón nhận trong tương lai.