由青蛙細(xì)胞生成的首個(gè)活體機(jī)器人升級(jí)：5 分鐘恢復(fù)“致命傷”，壽命達(dá)數(shù)月

本文作者：付靜

2021-04-02 17:56

導(dǎo)語(yǔ)：科學(xué)家們不僅要探索生物機(jī)器，也想厘清基因組的“硬件”與細(xì)胞通信的“軟件”之間的關(guān)系。

2020 年 1 月 13 日，科學(xué)家們官宣了世界第一個(gè)由青蛙干細(xì)胞生成的活體機(jī)器人。

活體機(jī)器人既非傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人，也不是某個(gè)已知的動(dòng)物品種，科學(xué)家們對(duì)它下的定義是「可編程生物體」。

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這種“生物”神奇的地方在于受破壞后還能自己愈合。

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過去一年里，科學(xué)家們對(duì)這款全球首個(gè)活體機(jī)器人進(jìn)行了一次升級(jí)，就在 2021 年 3 月 31 日，相關(guān)研究成果正式發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊 Science 子刊 Science Robotics，題為 A cellular platform for the development of synthetic living machines（一個(gè)用于開發(fā)合成生命機(jī)器的細(xì)胞平臺(tái)）。

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論文作者來(lái)自于美國(guó)塔夫茨大學(xué)艾倫探索中心、佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系、新澤西理工學(xué)院生物科學(xué)系、哈佛大學(xué) Wyss 生物啟發(fā)工程研究所。

全球首個(gè)活體機(jī)器人誕生

迄今為止，很多技術(shù)離不開鋼鐵、混凝土、化學(xué)品、塑料等材料，隨著時(shí)間的推移可能對(duì)生態(tài)環(huán)境和健康產(chǎn)生副作用。

佛蒙特大學(xué)與塔夫茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們認(rèn)為，利用可自我更新、生物兼容的材料設(shè)計(jì)機(jī)器人，將會(huì)是一條不錯(cuò)的思路——理想狀態(tài)下，甚至可以用生物體做材料。

因此，科學(xué)家們決定從頭開始設(shè)計(jì)一種所謂“生物機(jī)器”的存在，他們的方法是：利用計(jì)算機(jī)模擬、自動(dòng)設(shè)計(jì)形態(tài)，然后將不同的生物組織結(jié)合在一起，從而構(gòu)建最佳設(shè)計(jì)。

具體而言，他們利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚細(xì)胞和心臟細(xì)胞，創(chuàng)造出了名為 Xenobots 的活體機(jī)器人。Xenobots 這個(gè)名字中，“Xeno”代表非洲爪蟾的英文名稱 Xenopus laevis，“bots”則指機(jī)器人。

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Xenobots 雖然寬度不足 1 毫米，但可以向目標(biāo)移動(dòng)，能拿起物體（比如需要運(yùn)送到患者體內(nèi)特定位置的藥物），受破壞可自愈，甚至能在一群生物機(jī)器出現(xiàn)時(shí)表現(xiàn)出集體行為。

佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)中心教授 Josh Bongard 曾介紹：

Xenobots 有自我再生修復(fù)機(jī)制，而且當(dāng)它們停止工作、死亡時(shí)，通常也不會(huì)對(duì)外界環(huán)境帶來(lái)破壞，它們是完全可生物降解的。七天后當(dāng)它們完成工作時(shí)，就會(huì)變成死皮細(xì)胞。

Xenobots 的創(chuàng)造過程有兩步：

第一步，利用佛蒙特大學(xué)的 Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)用了幾個(gè)月時(shí)間通過進(jìn)化算法為這一新的生命形式做出了上千個(gè)設(shè)計(jì)。

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為完成任務(wù)（比如朝某個(gè)方向移動(dòng)），計(jì)算機(jī)會(huì)一遍遍地將幾百個(gè)模擬細(xì)胞重新組合成無(wú)數(shù)的形式或形狀。程序受生物物理學(xué)基本規(guī)則驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，不斷對(duì)較為成功的模擬生物進(jìn)行保存、優(yōu)化，對(duì)失敗的進(jìn)行拋棄。100 次獨(dú)立運(yùn)行之后，科學(xué)家終于選出了最滿意的設(shè)計(jì)。

第二步，塔夫茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)將電腦設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。

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他們先從非洲爪蟾胚胎中收集干細(xì)胞，將其分離成單個(gè)細(xì)胞并孵育，然后用小鑷子和小電極將細(xì)胞切割、連接等工作，使其非常接近于計(jì)算機(jī)指定的設(shè)計(jì)。于是，這些細(xì)胞就被組裝成了自然界中從未見過的形體。

值得一提的是，在科學(xué)家們的操縱下，非洲爪蟾的皮膚細(xì)胞形成了一個(gè)更加被動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而原本無(wú)序收縮的心肌細(xì)胞則在電腦設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下、在自組織模式的幫助下，產(chǎn)生有序的向前運(yùn)動(dòng)——這正是機(jī)器人自行移動(dòng)的關(guān)鍵。

在當(dāng)時(shí)的論文中，研究團(tuán)隊(duì)也表示：

通過這種方法，科學(xué)家們能夠設(shè)計(jì)出各種各樣的生命機(jī)器，從而安全地將藥物輸送到人體、幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的修復(fù)，或是進(jìn)一步拓寬我們對(duì)生命可能的多種形式和功能的理解。

活體機(jī)器人迎來(lái)大升級(jí)

不過，科學(xué)家們并不滿足于僅僅實(shí)現(xiàn)上述研究成果，一年時(shí)間過去，第二代 Xenobots（下稱 Xenobots 2.0）也誕生了。

在最新的論文中，科學(xué)家們寫道：

雖然此前通過在形狀精確的支架上生長(zhǎng)肌肉細(xì)胞，創(chuàng)造出了可運(yùn)動(dòng)生物構(gòu)造，但將尚不成熟的自組織和功能可塑性運(yùn)用到自我導(dǎo)向的生命機(jī)器，仍是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

基于此，科學(xué)家們的最新突破主要在于，不需肌肉細(xì)胞移動(dòng)，創(chuàng)造出了從單個(gè)細(xì)胞自我組裝身體的生命形式。Xenobots 2.0 有了記憶能力，移動(dòng)速度更快，可在不同環(huán)境中運(yùn)行，壽命也比 Xenobots 更長(zhǎng)（無(wú)額外能源下運(yùn)行，可存活10天；額外能源加持下可全速運(yùn)行數(shù)月），仍然可以展現(xiàn)集體行為，并在受損時(shí)自我修復(fù)。

Xenobots 2.0 的創(chuàng)造過程大致如下。

塔夫茨大學(xué)生物學(xué)家從非洲爪蟾胚胎中收集干細(xì)胞：

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讓它們自我組裝并長(zhǎng)成球狀體：

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幾天后一些細(xì)胞經(jīng)分化產(chǎn)生纖毛（即以特定方式來(lái)回移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的細(xì)小毛發(fā)狀突起）：

由青蛙細(xì)胞生成的首個(gè)活體機(jī)器人升級(jí)：5 分鐘恢復(fù)“致命傷”，壽命達(dá)數(shù)月

值得關(guān)注的是，Xenobots 的移動(dòng)基于細(xì)胞有節(jié)奏的收縮，而 Xenobots 2.0 的移動(dòng)則基于纖毛。

為實(shí)現(xiàn)記憶功能，塔夫茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過一種名為 EosFP 的熒光報(bào)告蛋白來(lái)記錄信息。

EosFP 通常會(huì)發(fā)出綠光，但當(dāng)暴露在 390nm 波長(zhǎng)的光下時(shí)會(huì)發(fā)出紅光，通過這一原理，Xenobots 2.0 擁有了讀寫能力。

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自愈能力方面，Xenobots 2.0 可在 5 分鐘內(nèi)恢復(fù)嚴(yán)重的撕裂，即便撕裂長(zhǎng)度達(dá)到了 Xenobots 2.0 長(zhǎng)度的一半。治愈傷口之后，Xenobots 2.0 將恢復(fù)形狀，并像往常一樣繼續(xù)工作。

實(shí)際上，就在塔夫茨大學(xué)的科學(xué)家們創(chuàng)造物理有機(jī)體時(shí)，佛蒙特大學(xué)團(tuán)隊(duì)則忙著通過 Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)在數(shù)十萬(wàn)種隨機(jī)環(huán)境條件下進(jìn)行模擬，其主要目的在于探究在形狀、運(yùn)作方式（獨(dú)立運(yùn)作還是集體運(yùn)作）存在差異時(shí)，Xenobots 2.0 是否會(huì)表現(xiàn)出不同的行為。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，Xenobots 2.0 可以成群結(jié)隊(duì)地工作，在掃過一個(gè)培養(yǎng)皿時(shí)可以收集相比 Xenobots 更多的氧化鐵微粒。此外 Xenobots 2.0 也可以覆蓋更大的表面，或在狹窄的毛細(xì)血管中移動(dòng)。

研究表明，Xenobots 2.0 在諸如垃圾收集等任務(wù)上比 Xenobots 要快得多，也做得更好。

塔夫茨大學(xué)科學(xué)家 Doug Blackiston 表示：