В библиотеку
Архитектура искусственных лимфатических узлов для гомеостаза в коллективных робототехнических системах
Mokhtar Maizura, Timmis Jon, Tyrrell Andy M. and Ran Bi
(Перевод с английского — Кривоухов Д.А.)
Department of Electronics, Department of Computer Science,
University of York, Heslington, York, UK
E-mail: {mm520, jt517, amt, rb507}@ohm.york.ac.uk
Источник: http://ipvs.informatik.uni-stuttgart.de/BV/symbrion/tiki-download_file.php?fileId=238
Аннотация
Проект SYMBRION связан с разработкой супер–больших роев роботов, которые соединяются друг с другом и симбиотически делятся энергией и вычислительными ресурсами, формируя единый искусственный организм. В этой статье предлагается архитектура программного обеспечения, основанная на подобии структуре лимфатических узлов биологической иммунной системы, которая предоставляет гомеостаз индивидуальной и коллективной робототехнической системе. Когда робототехнические модули соединяются в искусственный организм, они формируют «искусственную лимфатическую систему», позволяя модулям обмениваться иммунологической информацией. Это приводит к осуществлению гомеостаза организма.
1. Вступление
Консорциум SYMBRION разрабатывает супер–большие рои роботов, которые соединяются друг с другом и симбиотически делятся энергией и вычислительными ресурсами, формируя единый искусственный организм. Новизна проекта SYMBRION состоит в интеграции подобных биологическим подходов в конструкции роботов и явлений, чтобы SYMBRION роботы были способны самостоятельно конфигурировать свою структуру, лечить, оптимизировать и защищать себя как в аппаратной так и в программной инфраструктуре.
В этом документе рассматривается развитие архитектуры, способной отслеживать внутренние состояния (гомеостаз) как для отдельных так и для соединенных SYMBRION роботов. Для наших целей гомеостаз определяется как «способность автономно сохранить стабильное состояние в условиях меняющейся окружающей среды» [5]. Разрабатываемая искусственная иммунная система (ИИС) будет действовать подобно тому, как работает биологическая иммунная система; защита организма от отклонений от состояния баланса (стабильности), которые могут повлиять на здоровье. Это отличается от других реализаций ИИС в программах для робота, например [6], в которой ИИС используется для обеспечения поведенческого контроля.
В данной работе гомеостаз отдельного робота достигается при помощи реализации ИИС архитектуры искусственных лимфатических узлов. Искусственные лимфатические узлы обеспечивают робота искусственным окружением, в котором их агенты (иммунные клетки) следят (сенсоры) за всей входящей информацией в целях выявления, а также предсказания отклонения от стабильного состояния, или состояний, которые могут привести к нежелательному поведению робота(ов). Например, ИИС может обнаружить, что у конкретного робота поломка (такая как неисправный исполнительный механизм), и, следовательно, ИИС подаст сигнал окружающим роботам что неисправный модуль не должен быть соединен с робототехническим организмом, так как его присоединение нанесет ущерб всему организму.
Мы взяли образец из биологических лимфатических узлов и лимфатической системы, с помощью которой они соединены. Наша искусственная лимфатическая система может быть достигнута при собирании SYMBRION роботов вместе для формирования искусственной организации, и далее распространяя состояние одного робота другому в коллективном SYMBRION организме. Эта искусственная лимфатическая система гарантирует достижение и сохранение гомеостазиса коллективного организма.
Остальная часть этой статьи структурировано как указано дальше: в разделе 2 дается краткое описание биологической иммунной системы, делая акцент на лимфатических узлах и соответствующих им иммунных клетках; в разделе 3 описывается предлагаемая архитектура ИИС лимфатических узлов для отдельных SYMBRION роботов, а также описывается как искусственная лимфатическая система создается при соединении робототехнических SYMBRION модулей; в разделе 4 представлены выводы по статье.
2. Обзор соответствующей иммунологии
Общий вид природной иммунной системы — это сложная система, состоящая из большого числа взаимодействующих агентов, которые предоставляют защиту организму–хозяину при определении чужеродных агентов в организме. Методами достижения такой защиты занимались инженеры последние несколько десятилетий, что привело к развитию области Искусственных Иммунных Систем (ИИС) [1]. Для целей этой статьи мы останавливаемся в этом разделе только на понятиях иммунологии высокого уровня, которые соответствуют развитию нашей архитектуры.
Функциональность биологического иммунной системы могут быть разделены на две функциональные сотрудничающие системы:
1) Врожденная иммунная система: она состоит из иммунных клеток, известных как антиген присутствующих клеток (АПК), или дендритных клеток, функция которых в различении собственных и чужеродных элементов, отображая характеристики чужеродного элемента на поверхности клетки. Чужеродные элементы – это чужие антигены или патоген, попадающий в тело. Дендритные клетки циркулируют в теле, захватывая антигены и потом перемещаясь в лимфатический узел. В лимфатическом узле дендритные клетки инициируют цепь событий, результатом которых есть уничтожение патогенных агентов.
2) Приобретенная иммунная система: она состоит из иммунных клеток, известных как лимфоциты; интерес для нас составляют Т– и B–лимфоциты. Эти агенты, в случае Т–клеток, при помощи врожденных систем АПК видоизменяются и распространяются чтобы стать эффекторной клеткой, результатом чего является удаление патогенных агентов.
Эти три клетки: дендритные клетки, Т–клетки и B–клетки помогают обеспечить иммунитет и поддерживать гомеостаз тела. Общий иммунный ответ происходит при помощи лимфатического узла.
2.1. Дендритные клетки
Дендритные клетки (ДК) – это белые кровяные клетки, способные действовать в двух разных ролях: (1) как макрофаги (агенты, удаляющие мертвую материю) во внешних тканях и органах и (2) как источник антигена для приобретенной иммунной системы (как указано выше).
ДК организовывают они из главных управляющих механизмов иммунной системы. ДК ответственны за некоторые из процессов инициации патогенного распознавания, которые собирают данные об окружении и видоизменяются в зависимости от концентрации и мощности полученного сигнала; сигналы бывают экзогенные и эндогенные.
Эндогенные сигналы – это сигналы опасности, которые возникают как результат урона или стресса тканевых клеток (некроз), а экзогенные сигналы – это сигналы, полученные при обнаружении патогенов при опознавании сохраненных молекул известных как ПСМШ (молекулярные шаблоны связанные с патогенами) и производимые рецепторами распознавания по шаблону.
ДК существуют в трех различных состояниях зрелости. Это:
1) Незрелые дендритные клетки (НДК): НДК это ДК в их исходном состоянии зрелости, когда их первичная функция – собирать и удалять мусор;
2) Полузрелые дендритные клетки (ПДК): ПДК это ДК, которые были подвержены эндогенным сигналам, производимым из–за апоптоза (смерти клетки). ПДК производят противовоспалительные цитокины (информационные сигналы), которые служат для подавления соответствующих Т–клеток.
3) Зрелые дендритные клетки (ЗДК): ЗДК это ДК, которые были изменены из–за влияния экзогенных и эндогенных сигналов опасности. ЗДК регулируют воспалительные цитокины, которые требуются для ускорения активизации Т–клеток.
Эти состояния зрелости ДК влияют на оперативность Т–клеток на присутствующий антиген; либо иммуногенность, либо вызывающий иммунологическую толерантность. Зрелые ДК создают активирующий эффект иммуногенности атакуя присутствующий антиген при помощи воспалительных цитокинов, а полузрелые ДК оказывают подавляющий эффект при помощи противовоспалительных цитокинов, обеспечивая устойчивость к присутствующему антигену (иммунологическую толерантность) [2].
Обработка и захват антигенов при помощи присутствующих ДК возникает в тканях, вызывая изменение незрелых ДК. Зрелые ДК далее перемещаются в лимфатический узел, где ДК побуждают соответствующую иммунную реакцию [2, 3].
2.2. Т–клетки
Т–клетки — агенты приобретенной иммунной системы, созревающие в вилочковой железе. Их функции:
1) Регулировать другие иммунные клетки, в частности, B–клетки.
2) Производить прямую атаку на клетки, вызывающие инфекцию.
3) Играть определенную роль при различении между родными и чужеродными элементами [1].
Благодаря сложным процессам сопоставления на их рецепторах, а также взаимодействие с АПК, Т–клетки распознают антиген, далее инициируют путь ответа для удаления патогенного агента [3].
Т–клетки можно разделить на три большие подгруппы:
1) Tkiller: уничтожает микробную угрозу, вирусы и раковые клетки. Однажды активированные и привязанные к их лиганду, Tkiller заражают вредными химическими веществами другие клетки, чтобы пробить их поверхностную мембрану, вызывая уничтожение клетки.
2) Treg: ингибирует действие других иммунных клеток а также регулирует иммунные реакции. Treg клетки регулируют иммунитет, ингибируя иммунные реакции. Без регуляции Treg клеток может быть потеря контроля над иммунитетом, что приведет к аллергической реакции и аутоиммунной болезни.
3) Thelper: оказывает долговременное воздействие на B–клетки, другие Т–клетки, макрофаги и клетки «естественные убийцы» (ЕК). В ответ на антигенную стимуляцию клетки Thelper секретируют протеин называемый цитокин, функция которого в стимулировании пролиферации и дифференциации других Т–клеток, а также В–клеток.
Т–клетки нужны для распознавания не только антигенов, но и других молекул, называемых ко–стимуляторы, которые вызываются АПК микробами для создания соответствующей реакции [3].
2.3. B–клетки
Как рецепторы В–клетки реагируют на взаимодействие с антигеном (не как АПК как в случае с Т–клетками) производством антител, которые убирают патогенные агенты. Каждый лимфоцит секретирует только один вид антител, который относительно специфический для антигена [3].
В процессе клонового выбора В–клетки вначале распознают антиген при помощи рецептора В–клеток (ВКР). При помощи комбинации этого распознавания и другого сигнала, например, от клетки Thelper, которая определяет антиген, В–клетка стимулируется на размножение и видоизменение в окончательные секретирующие антитела, которые известны как плазма клетки. В–лимфоциты могут также видоизменяться в В–клетки памяти. В–клетки памяти и В–клетки, которые остаются в теле на протяжении долгого периода времени, сохраняют их специфичность только для одного специфичного типа антигена. Эти типы ячеек не производят антитела; но циркулируют в крови и лимфе и при этом они способны видоизменяться в большие лимфоциты, которые производят антитела высокого сродства, когда подвергаются антигенному стимулированию, произведенному от предыдущего распознавания соответствующих антигенов [3].