Людство використовує чимало інструментів та приладів, що зроблені з металу, пластику, бетону, різноманітних хімічних сполук тощо. В багатьох випадках їхня утилізація пов’язана з потенційною шкодою для довкілля. Звісно, було б здорово мати такі інструменти, що, подібно до живих систем, самооновлюються та здатні до біодеградації. І найкращими кандидатами на це є… власне біологічні системи. Наразі ми не вміємо створювати їх з нуля, але дослідники запропонували цікаву технологію їхнього конструювання.

На початку система проводить пошук моделі, яка б задовольняла бажані потреби. Спершу формуються випадкові набори елементарних складових – “цеглинок”. Далі алгоритм оцінює їх відповідність поставленим цілям, видаляє найбільш невдалі, замінюючи їх на випадковим чином змінені варіанти більш вдалих. Цей цикл багаторазово повторюється. В такий спосіб знаходяться найбільше перспективні комбінації. Проте, реальні фізичні умови будуть відмінні від змодельованих, і це потрібно врахувати. Звісно, ми не можемо ані абсолютно точно змоделювати середовище, ані передбачити, які чинники будуть найбільш істотно різнитися від моделі. Автори запропонували простий та ефективний метод – моделі-кандидати оцінюються на стійкість до внесеного в модель випадкового шуму. Наступним фільтром є оцінка реальності збирання моделі відповідно до наявних технологічних можливостей. І далі настає влазне збирання.

На рисунку наведено приклад формування моделей із “цеглинок” двох типів – скоротливі (рожеві) та пасивні (сині). Наразі такими бувельними блоками є клітини, вирощені з ембріонів одного з улюблених об’єктів біологів – шпорцевих жабок (Xenopus laevis). Скоротливими елементами є клітини попередники кардіоміоцитів (серцевих м’язевих клітин). Результатом такого конструювання може бути, наприклад, об’єкт, що здатен тривалий час (дні, тижні) переміщуватися у водному середовищі. Поведінка зібраних структур оцінюється та вноситься у адаптивний алгоритм, що коригує процес формування моделей.

Наразі заданими формами поведінки можуть бути: переміщення у просторі, збирання та накопичення зовнішніх об’єктів, транспортування об’єктів, узгоджена колективна поведінка тощо. Майбутнє покращення алгоритмів, використання нових будівельних елементів може призвести до збільшення різноманітності поведінки та відповідно функцій таких штучних систем. Наразі передбачається точна доставка ліків в організмі, очистка довкілля, але зрозуміло, що спектр обмежений лише фантазією. Введення в модель збудливих елементів типу нейронів може сформувати мініатюрні обчислювальні машини або ж специфічні системи штучного інтелекту.

Майбутнє починається зараз

Джерело: Kriegman S, Blackiston D, Levin M, Bongard J. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Jan 28;117(4):1853-1859. doi: 10.1073/pnas.1910837117