不気味な新種のプログラム可能な生物、ゼノボット

顕微鏡の厳重な監視の下、小さな塊が液体のフィールドの中をせわしなく動き回っている。前進したり、向きを変えたり、時には回転したりしながら。細胞の破片をその平原に落とすと、塊はそれを山のように集める。どんな塊でも背中を向けると、ひっくり返った亀のように横たわる。

彼らの行動は、獲物を追う微小な扁形動物、あるいはクマムシと呼ばれる小さな動物を彷彿とさせる。クマムシは、高度な行動をとれるほど複雑な体格を持つ生き物だ。しかし、この類似性は錯覚に過ぎない。これらの塊は、カエルの皮膚細胞と心臓細胞というたった2つの要素で構成されているのだ。

米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に本日発表された論文で、研究者たちは進化アルゴリズムを用いて、いわゆるゼノボット（細胞の起源であるアフリカツメガエルの一種）を作製した方法について述べている。収縮細胞と受動細胞がくっついたこの新しい生物とその不気味なほど高度な行動が、科学者が細胞間コミュニケーションの謎を解き明かす助けとなることを期待している。

細胞がどのように協力して複雑な構造を形成するのかは「大きな謎です」と、新論文の共著者であるタフツ大学の発生生物物理学者マイケル・レビン氏は語る。「私たちが非常に興味を持っているのは、細胞がどのように協力して特定の機能構造を形成するのかという問題です。」この未知の領域を探り始めれば、細胞は他に何を作ることができるのかという、より謎に満ちた問題にも前進できるかもしれない。

サム・クリークマンとジョシュ・ボンガード（UVM）提供

レビン氏と彼の同僚たちは、細胞そのものと高度なアルゴリズムの助けを借りて、ゼノボットの共同設計に着手した。彼らはカエルの胚から幹細胞を採取し、自然に収縮する心臓細胞と収縮しない皮膚細胞に分化させた。顕微鏡下で作業しながら、これらの能動細胞と受動細胞を、細胞同士がくっつくという自然な性質を利用して組み合わせた。その結果、くさび形やアーチ形になった細胞もあった。上のGIF画像では、上部の青緑色の四角形が受動細胞、下部の緑と赤が交互に並ぶ細胞が能動細胞である。

ゼノボットが動き回ると、研究者たちは、細胞の配列と塊全体の形状の両方におけるゼノボットの独特な構造が、どのように行動にマッピングされているかを観察することができました。彼らはこのデータをすべてコンピューター科学者チームに送り、デジタル版ゼノボットが行動するためのシミュレーション環境を構築しました。そして、ある意味で自然淘汰のプロセスを再現する進化アルゴリズムを実行し、ゼノボットの構造が、例えば前進にどのように役立つかを調べました。システムはゼノボットの設計に可能な操作を探索し、これらの新しい設計が機能にどのような影響を与えるかを探ります。シミュレーションで特定のタスクをうまくこなしたゼノボットは「適合」しているとみなされ、他の優秀なゼノボットと交配されて、新世代の「進化した」ゼノボットが生み出されます。

5枚の写真が2列に並んでいる。上の列は立方体の赤と青のデジタル彫刻。下の列は生物である。

レビンと彼の同僚たちは、これらの設計のいくつかを試作し、残りは却下する。うまくいったものをコンピューター科学者に送り返し、コンピューター科学者は研究室の研究者が得た知見に基づいてシミュレーターを調整する。「つまり、設計と生物学の間のこのような往復サイクルこそが、生物学が行っていることの法則を理解するのに役立つのです」とレビンは言う。

脳のない塊は、実に不気味な行動をとるようになる。「彼らは時々動きを変えます。特定の動きをするかと思えば、また動きを変え、向きを変えて元に戻ります」とレビンは言う。他の細胞に遭遇すると、小さな山にまとめる。ゼノボットを体ごと切り開いても、まるで『ターミネーター2』のT-1000のように、元通りに元通りになる。2体のゼノボットが合体して、まるで幸せなカップルのように走り回ることもあるだろう。穴の開いたゼノボットは、物を拾い上げて運ぶこともできる。

ゼノボットの細胞がどのように通信し、あるいは細胞全体がどのように通信し、複雑な行動を生み出しているか、それがレビン氏らが追求しているところだ。「そして最も重要なのは、それをどのように制御できるかということです」とレビン氏は言う。ゼノボットは唯一無二の生物である。生きた細胞でできた生き物であると同時に、研究者が特定の行動を発現するようにプログラムできる機械でもある。カエルの細胞自体が特別なわけではない。注目すべきは、それらが集合的に生み出す創発的な行動なのだ。

そうすれば、ロボット工学の全く新しいアプローチについて考え始めることができます。典型的なヒューマノイドロボットは、単純な部品の集合体で、（理想的には）知的に全体を構成しており、歩き回ったり物を操作したりすることができます。しかし、人間の体は隅々まで知性に満ちています。細胞同士がコミュニケーションを取りながら組織を作り、それが協力して臓器を作り、それが（理想的には）知的に全体を構成しているのです。「私たちは、その情報をエンジニアリングとAIにフィードバックすることに興味を持っています」とレビン氏は言います。

サム・クリーグマンとジョシュ・ボンガード（UVM）提供

しかし、そこに至る道のりは容易ではないだろう。「生体組織からロボットを作ることは、ソフトロボティクスの分野で取り組まれている課題と多くの共通点を抱えています。ただ、その課題が11倍になっただけです」と、オスロ大学で進化ロボティクスを研究するトネス・ナイガード氏は言う。ナイガード氏は今回の研究には関わっていない。現実世界はどんなロボットにとっても適応が難しい、雑然とした騒々しい世界であり、ましてや扱いにくい生体細胞から作られたロボットとなるとなおさらだ。しかし、こうした進化的手法を用いることの素晴らしさは、人間の導きのもとではあるものの、ロボットがいわば本物の生き物のように環境に適応できるということだ。

他に類を見ないハイブリッドロボット生物、ゼノボットを温かく歓迎します。世界があなたたちに優しくありますように。

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