Incroyable ! Des chercheurs des universités du Vermont et Tufts aux Etats-Unis ont élaboré les tout premiers robots, ou plutôt biobots, construits entièrement à partir de cellules vivantes. Le résultat de leur recherche a été publié dans la revue PNAS, et l’équipe a rendu son code source disponible gratuitement sur Github.

Les xénobots : définition

Les xénobots sont de minuscules robots de la taille d’une goutte, mais peuvent tout de même contenir entre 500 et 1 000 cellules. Selon les directeurs de recherche Joshua Bongard et Michael Levin, ces xénobots ne ressemblent à aucun organisme vivant ou organe qu’ils aient déjà rencontré ou créé à ce jour. « Ce sont de nouvelles machines vivantes« , a déclaré Joshua Bongard. « Ils ne sont ni un robot traditionnel ni une espèce animale connue. C’est une nouvelle classe d’artefact : un organisme vivant et programmable. » 

Nous pouvons observer chaque étape de la conception des xénobots sur YouTube. Celle-ci a donc commencé grâce au superordinateur de l’université du Vermont. Les informaticiens et scientifiques se sont servis d’un algorithme s’inspirant de la théorie de l’évolution, permettant de simuler des milliers de potentiels organismes aspirant à représenter « une nouvelle forme de vie« . 

Durant ce travail de longue haleine, l’algorithme a travaillé sans relâche de façon à assembler et réassembler plusieurs centaines de cellules afin d’obtenir une multitude d’organismes vivants à la structure différente, l’objectif étant de former l’organisme le plus fiable et le plus efficace dans la réalisation de tâches déterminées par les chercheurs. A la suite de ces essais, les plus aptes à répondre aux attentes des scientifiques ont été mis de côté et améliorés et les autres, éliminés.

Un xénobot avec de larges membres postérieurs et des membres antérieurs plus petits, avec des couches de muscle cardiaque — © Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard / PNAS

Les capacités des xénobots

Les résultats des tests ont par la suite été envoyés à l’université Tufts, et la deuxième équipe a pris le relais. Son rôle : donner vie aux modèles simulés numériquement. Les chercheurs ont alors prélevé des cellules souches de peau et de muscle cardiaque sur des embryons de grenouilles africaines de l’espèce Xenopus laevis, d’où tire son nom le “robot” xénobot. Un travail minutieux et précis a ensuite été réalisé : un microchirurgien a « sculpté » les cellules à l’aide de minuscules pinces et électrodes, dans le but de créer les formes que le superordinateur avait estimé être les meilleures. 

« Comme nous ne pouvions pas prédire comment les cellules musculaires se comporteraient lorsqu’elles seraient assemblées, nous les avons simulées pour qu’elles agissent de façon aléatoire », a détaillé Josh Bongard à L’Express. « En d’autres termes, nous avons demandé à l’algorithme d’assembler ces cellules de manière à leur donner une forme qui nous assure que les xénobots se déplacent toujours comme nous le souhaitions, et ce, quel que soit le comportement des cellules musculaires dans la réalité. » « L’algorithme nous a permis de prédire les mouvements que les créatures allaient exécuter selon la forme qu’on leur donnerait« , résume Michael Levin, également à L’Express. 

Xenopus laevis — © Brian Gratwicke / Wikipedia
Présentation de la conception et de la fabrication des différents organismes programmables. L’algorithme fait évoluer une population aléatoire et renvoie la meilleure conception trouvée. — © Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard / PNAS
Présentation de la reconfiguration d’un organisme. Pour atteindre un objectif donné, 100 essais évolutifs sont menés indépendamment. Chaque ligne colorée représente la vitesse de déplacement de l’organisme essayé. Chaque génome dicte l’anatomie et le comportement du robot biologique en déterminant où et comment les voxels (les « cubes ») vont se combiner, et s’ils seront passifs (en turquoise) ou contractiles (en rouge) — © Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard / PNAS

Ces xénobots peuvent effectuer de nombreuses tâches simples. Ils sont parvenus à se déplacer dans un environnement aqueux jusqu’à une semaine sans éprouver la nécéssité de nutriments supplémentaires, puisqu’ils sont nourris au moyen de lipides et de protéines fournis par leurs propres réserves d’énergie “préchargées”. S’ils travaillent en groupe, ils sont capables de nettoyer leur environnement. L’un des organismes les plus efficaces conçus possédait un trou en son centre, ce qui serait très utile dans la mesure où il pourrait être remplacé par une petite poche pouvant contenir un médicament par exemple. Les xénobots sont également capables de déplacer des éléments, comme le prouve l’expérience menée par les universitaires qui ont criblé leur environnement de particules. Les xénobots se sont alors acharnés collectivement à rassembler l’ensemble des particules à un endroit précis, en se déplaçant en cercle.

Ces petits robots ne sont toutefois pas aptes à réaliser des tâches complexes pour le moment. Mais Josh Bongard estime qu’en améliorant l’algorithme, en intégrant par exemple la capacité d’intégrer des organes sensoriels ou des tissus nerveux aux simulations numériques, il serait possible de fabriquer des xénobots « plus intéressants ». 

Après la théorie, la biologie : Présentation de la fabrication concrète des organismes programmables. — © Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard / PNAS
Différents tests et configurations d’organismes programmables — © Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard / PNAS

Vices et vertus des xénobots

Il est important cependant de bien comprendre la nature de ces robots, ou biobots. En effet, bien que l’ensemble des chercheurs les qualifient de “vivants”, cela dépend de la définition qu’on donne du terme “vivant”. Les xénobots ne sont pas autonomes, il ne peuvent donc pas se développer seuls, ils n’ont pas d’organes reproducteurs et sont incapables de se multiplier. Lorsque les cellules ne sont pas alimentées, elles se tranforment simplement en un petit amas de cellules mortes. Mais ces défauts sont également des qualités puisque cela veut également dire qu’ils sont biodégradables. C’est un atout par rapport aux robots en métal et en plastique. Les scientifiques ont également prouvé que les cellules pouvaient se régénérer. En effet, ils ont fait l’expérimentation d’en couper certaines en deux, et les deux parties ont réussi à se reformer.

Ces recherches pourraient changer l’univers de la médecine, aussi bien que le monde de l’écologie. En effet, dans le futur, ces biobots pourraient purifier les océans, mais également être injectés dans le corps humain pour en nettoyer les veines et les artères. « Nous pouvons imaginer de nombreuses applications utiles de ces robots vivants que d’autres machines ne peuvent pas faire, a déclaré Levin, comme la recherche de composés nocifs ou de contamination radioactive, la collecte de microplastiques dans les océans, le déplacement dans les artères pour éliminer la plaque.« 

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