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| 本文作者： 付靜 | 2020-01-14 18:03 |
科學(xué)家們創(chuàng)造了世界上第一個(gè)由青蛙干細(xì)胞生成的有生命的自愈機(jī)器人。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間 1 月 13 日，美國(guó)佛蒙特大學(xué)（University of Vermont）在其官網(wǎng)上發(fā)布新聞稿，宣稱佛蒙特大學(xué)與塔夫茨大學(xué)（Tufts University）的研究團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)展研究，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)造出了首個(gè)活體機(jī)器人“xenobots”（異種機(jī)器人）。這項(xiàng)研究已發(fā)表在 1 月 13 日的世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
【 圖片來(lái)源：University of Vermont 所有者：University of Vermont 】
雷鋒網(wǎng)了解到，xenobots 以非洲爪蛙的名字“Xenopus laevis”命名，不到 1 毫米寬的 xenobots 可以向目標(biāo)移動(dòng)，也可拿起物體（比如需要運(yùn)送到患者體內(nèi)特定位置的藥物），受傷后還可自愈傷口。
佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家、機(jī)器人專家 Joshua Bongard 是這項(xiàng)研究的聯(lián)合負(fù)責(zé)人，他表示：
它們既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的一種動(dòng)物物種。這是一種新的人工制品——一種活的、可編程的有機(jī)體。
xenobots 由佛蒙特大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，然后由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家組裝和測(cè)試。塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任 Michael Levin 說(shuō)：
不難想象，這些機(jī)器人有很多其他機(jī)器做不到的應(yīng)用，比如尋找有害化合物或放射性污染物、在海洋中收集微塑料、在動(dòng)脈中穿行，清除牙菌斑等等。
眾所周知，至少自農(nóng)業(yè)出現(xiàn)以來(lái)，人類(lèi)就一直在為自身利益操縱生物，基因編輯也越來(lái)越普遍。過(guò)去幾年里，人類(lèi)已經(jīng)通過(guò)模仿其他動(dòng)物的體型，制造出了一些人造生物，但研究小組表示，這是有史以來(lái)第一次“完全從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)的生物機(jī)器”。
大體上，xenobots 的創(chuàng)造過(guò)程有兩步。
第一步，利用佛蒙特大學(xué)的佛蒙特高級(jí)計(jì)算核心（Vermont Advanced Computing Core）的 Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)集群，研究團(tuán)隊(duì)（包括第一作者和博士生 Sam Kriegman）用了幾個(gè)月的時(shí)間，用進(jìn)化算法為這一新的生命形式設(shè)計(jì)了上千個(gè)設(shè)計(jì)。
為完成任務(wù)（比如朝一個(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)的形式或身體形狀。隨著程序的運(yùn)行——由關(guān)于單個(gè)青蛙皮膚和心臟細(xì)胞能做什么的生物物理學(xué)基本規(guī)則驅(qū)動(dòng)——更成功的模擬生物被保存、優(yōu)化，而失敗的則被拋棄。在對(duì)算法進(jìn)行 100 次獨(dú)立運(yùn)行之后，科學(xué)家選出了最滿意的設(shè)計(jì)，用于下一步研究。
【 圖片來(lái)源：University of Vermont 所有者：University of Vermont 】
第二步，Michael Levin 帶領(lǐng)的塔夫茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)和顯微外科醫(yī)生 Douglas Blackiston 要做的就是關(guān)鍵一步——將電腦設(shè)計(jì)變成現(xiàn)實(shí)。
他們先從非洲蛙種非洲爪蟾的胚胎中收集干細(xì)胞，將其分離成單個(gè)細(xì)胞并孵育，然后用小鑷子和更小的電極，將細(xì)胞切割并在顯微鏡下連接，使其非常接近于計(jì)算機(jī)指定的設(shè)計(jì)。
這樣，這些細(xì)胞被組裝成了自然界從未見(jiàn)過(guò)的形體，隨后它們便開(kāi)始一起工作了。經(jīng)過(guò)上述一番操作，皮膚細(xì)胞形成了一個(gè)更加被動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而心肌細(xì)胞原本無(wú)序的收縮則在電腦設(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)，這也就是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自行移動(dòng)的關(guān)鍵。
當(dāng)然，在研究過(guò)程中，難免會(huì)有一些意想不到的結(jié)果，但有時(shí)這些結(jié)果也促成了新的發(fā)現(xiàn)。
研究者們注意到，這些可重組的有機(jī)體能夠以一種連貫的方式移動(dòng)，并且在胚胎能量?jī)?chǔ)存的驅(qū)動(dòng)下，用數(shù)天甚至數(shù)周時(shí)間探索它們的水環(huán)境，但是反過(guò)來(lái)的時(shí)候卻失敗了，就像甲蟲(chóng)翻跟頭一樣。
后來(lái)，試驗(yàn)表明，成群的 xenobots 會(huì)繞著圈移動(dòng)，并集體自發(fā)地把一個(gè)小球推到中心位置。其他 xenobots 則在中間挖開(kāi)一個(gè)洞，從而減少阻力。而在模擬過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)把這個(gè)洞作為一個(gè)袋子，它們能成功地?cái)y帶物體。
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 表示：
這是電腦設(shè)計(jì)的生物向智能藥物輸送領(lǐng)域邁出的一步。
我們知道，許多機(jī)器、硬件產(chǎn)品等都是由鋼、混凝土或塑料等材質(zhì)制成的，這固然有其道理（比如質(zhì)量有保證），但有時(shí)也難免會(huì)造成生態(tài)和人類(lèi)健康問(wèn)題——比如日益嚴(yán)重的海洋塑料污染。
相比之下，Josh Bongard 表示：
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)，它們就只是死皮細(xì)胞。
【 圖片來(lái)源：University of Vermont 雷鋒網(wǎng)注：圖為 Josh Bongard 】
另外，筆記本電腦固然強(qiáng)大，但要是把它摔成兩半，可能就無(wú)法工作了。但科學(xué)家們把 xenobots 切成兩半后，發(fā)現(xiàn)它們可以自愈，然后繼續(xù)前進(jìn)，這是傳統(tǒng)的機(jī)器無(wú)法做到的。
同時(shí)，研究者也表示，他們對(duì)細(xì)胞交流、連接潛力的研究，已經(jīng)深入到對(duì)計(jì)算科學(xué)和對(duì)生命的理解中。
Michael Levin 說(shuō)：
當(dāng)前一個(gè)重要的問(wèn)題便是理解決定形式和功能的算法?；蚪M能夠編碼蛋白質(zhì)，但硬件如何讓細(xì)胞在各種不同的條件下合作，從而進(jìn)行功能性解剖，這還等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
同時(shí)，為了使有機(jī)體發(fā)展并起作用，有機(jī)計(jì)算一直在有機(jī)體的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間進(jìn)行，而不僅僅是在神經(jīng)元內(nèi)。這些幾何特性是通過(guò)生物電學(xué)、生物化學(xué)和生物力學(xué)過(guò)程形成的，正如 Michael Levin 所說(shuō)：
這些過(guò)程在 DNA 指定的硬件上運(yùn)行，是可重新配置的，也使得新的生命形式成為可能。
如今，許多人擔(dān)心技術(shù)的飛速發(fā)展和越來(lái)越復(fù)雜的生物操作會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響。對(duì)此，Michael Levin 表示：
這種恐懼不是沒(méi)有道理，當(dāng)我們開(kāi)始擺弄連我們自己都不理解的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，結(jié)果可能很難想象。如果人類(lèi)要在未來(lái)生存下去，就需要更好地理解復(fù)雜的性質(zhì)是以何某種方式從簡(jiǎn)單的規(guī)則中產(chǎn)生的。大部分科學(xué)都集中在控制“低級(jí)規(guī)則”上，我們還需要了解“高級(jí)規(guī)則”。
Michael Levin 認(rèn)為，這項(xiàng)研究對(duì)于解決人們心中的恐懼有積極意義，這也是研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)意外收獲。
via University of Vermont，雷鋒網(wǎng)編譯。
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