Programmering af evolutionens kræfter

Evolutionens geni ses sjældent i aktion, så den usynlige hånd, der leder retningen af ​​biologiske systemer, tages ofte for givet. Imidlertid, ved at anvende principperne for naturlig selektion på forskningsspørgsmål og designe robotter til at udføre disse opgaver, forskere er ved at skabe verdens første evolutionære maskiner.

Det lyder som noget fra science fiction, men der er umiddelbare praktiske fordele ved denne fremadrettede tilgang. At designe alt fra lægemidler til mobiltelefoner kræver utallige timers forsøg og fejl i et laboratorium, eksperimentere med kombinationer af nye materialer, derefter møjsommeligt at teste og optimere dem. Heldigvis, hjælp kan være på vej i form af et beregningsrobotsystem, der anvender evolutionens principper på materialeopdagelsesprocessen.

"Det er evolution først, " siger Dr. Lee Cronin, en kemiker ved University of Glasgow, Storbritannien. "Evolution skabte biologi, ikke omvendt." Det førte til den biologiske verdens forbløffende kompleksitet, og Cronin mener, at det også er den perfekte løsning til materialevidenskab.

"Vi havde brug for en proces til at generere fysiske enheder, sæt dem ind i et miljø og se om de lever eller dør, " forklarer han. Til dette, Cronin og kolleger i EU-projektet EVOBLISS designede en modulær robot, der ville blande oliedråber på en petriskål og flytte dem rundt. Dråbens adfærd blev registreret, sammen med de startbetingelser, der skabte det.

På denne måde de kunne screene og udvælge dråber med bestemte materielle egenskaber:hvis de opførte sig på den ønskede måde 'levede' de og betingelserne for at skabe det overlevede. Hvis de ikke gjorde det, 'døde' de og blev kasseret.

Denne type evolutionær søgning skærer i høj grad ned på tid og omkostninger, fordi robotten udfører tusindvis af forsøg uden afbrydelse. Men for Cronin, den reelle fordel ved tilgangen går ud over screening. "Evolution gør så meget mere, det genererer nyhed til at løse problemer, du aldrig troede var muligt, " siger han. Med robotten kan de udforske det uventede, hvilket betyder, når en dråbe opfører sig på en ny måde, forholdene kan gemmes og optimeres yderligere.

Konceptet med at bruge evolution-drevne computere har vist sig utroligt effektivt til at håndtere komplekse systemer. Alfonso Jaramillo, Professor i syntetisk biologi ved University of Warwick, Storbritannien, udviklet en lignende tilgang til at løse komplekse biologiske problemer som bekæmpelse af antimikrobiel resistens. I sin evolutionære computer, rigtige bakterier ændres for at undgå at blive inficeret af bakteriofager. Når en fag 'løser' problemet med at slå bakteriernes forsvar, overlever den. Der er uoverskuelige mængder af molekylære interaktioner, der forekommer under denne proces, men, ifølge Jaramillo, "når evolution finder sted, kender du allerede resultatet af reaktionen." Beregningen udføres inden for selve virussen og de data, der er lagret i dets genom.

Tilbage i materialelaboratoriet er situationen den samme. Beregningerne udføres ikke på en computer; de udføres fysisk i robotten. Cronin siger, at data gemt på en siliciumchip kun er en repræsentation af virkeligheden. "Vi bruger vores system til at optimere virkeligheden."

Blair Brettman, assisterende professor ved Georgia Tech School of Material Science and Engineering, OS, tidligere arbejdet i industrien med mange af de eksperimenter, EVOBLISS nu lover at automatisere. Hun er optimistisk med hensyn til teknologiens evne til at reducere menneskelig arbejdskraft og udforske, hvordan komplekse materialer vil opføre sig. "De fleste kommercielle materialer er blandinger af mange forskellige ting, og det er meget svært at forudsige, hvordan kombinationerne vil reagere."

Imidlertid, Brettman ser nogle udfordringer. "Det mest begrænsende er, hvad du skal karakterisere eller lære om prøven, " siger hun. "Hvis alt, du vil gøre, er at se på, hvor godt en væske fugter, vil det være relativt nemt. Men hvis du vil se på, hvordan en væske trænger ind i et fast stof, vil det være meget sværere at analysere." Jo mere komplekst materialet er at manipulere og variablerne at måle, jo sværere vil opskalering være.

Dette er en af ​​grundene til, at forskerne startede med flydende materialer, men konceptuelt kan det ekstrapoleres til ethvert materiale. Indtil nu, platforme til specifikt at optimere tre klasser af materialer er blevet designet:rengøringsvæsker, guld nano-klynger, der opdager kemiske kontaminanter, og nye lægemiddellignende organiske molekyler.

Med denne nye forståelse af evolutionen som udgangspunkt, og ikke konsekvensen af ​​biologi, evolutionære maskiner ser ud til at udnytte denne unikke naturkraft. EVOBLISS er støttet af EU-programmet Future and Emerging Technologies (FET).