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| 本文作者： 付靜 | 2020-01-14 18:03 |
科學(xué)家們創(chuàng)造了世界上第一個由青蛙干細胞生成的有生命的自愈機器人。
當(dāng)?shù)貢r間 1 月 13 日，美國佛蒙特大學(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）的研究團隊共同開展研究，利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚細胞和心臟細胞，創(chuàng)造出了首個活體機器人“xenobots”（異種機器人）。這項研究已發(fā)表在 1 月 13 日的世界頂級學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
【 圖片來源：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 可以向目標移動，也可拿起物體（比如需要運送到患者體內(nèi)特定位置的藥物），受傷后還可自愈傷口。
佛蒙特大學(xué)計算機科學(xué)家、機器人專家 Joshua Bongard 是這項研究的聯(lián)合負責(zé)人，他表示：
它們既不是傳統(tǒng)的機器人，也不是已知的一種動物物種。這是一種新的人工制品——一種活的、可編程的有機體。
xenobots 由佛蒙特大學(xué)的超級計算機設(shè)計，然后由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家組裝和測試。塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任 Michael Levin 說：
不難想象，這些機器人有很多其他機器做不到的應(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，人類就一直在為自身利益操縱生物，基因編輯也越來越普遍。過去幾年里，人類已經(jīng)通過模仿其他動物的體型，制造出了一些人造生物，但研究小組表示，這是有史以來第一次“完全從頭開始設(shè)計的生物機器”。
大體上，xenobots 的創(chuàng)造過程有兩步。
第一步，利用佛蒙特大學(xué)的佛蒙特高級計算核心（Vermont Advanced Computing Core）的 Deep Green 超級計算機集群，研究團隊（包括第一作者和博士生 Sam Kriegman）用了幾個月的時間，用進化算法為這一新的生命形式設(shè)計了上千個設(shè)計。
為完成任務(wù)（比如朝一個方向移動），計算機會一遍遍地將幾百個模擬細胞重新組合成無數(shù)的形式或身體形狀。隨著程序的運行——由關(guān)于單個青蛙皮膚和心臟細胞能做什么的生物物理學(xué)基本規(guī)則驅(qū)動——更成功的模擬生物被保存、優(yōu)化，而失敗的則被拋棄。在對算法進行 100 次獨立運行之后，科學(xué)家選出了最滿意的設(shè)計，用于下一步研究。
【 圖片來源：University of Vermont 所有者：University of Vermont 】
第二步，Michael Levin 帶領(lǐng)的塔夫茨大學(xué)團隊和顯微外科醫(yī)生 Douglas Blackiston 要做的就是關(guān)鍵一步——將電腦設(shè)計變成現(xiàn)實。
他們先從非洲蛙種非洲爪蟾的胚胎中收集干細胞，將其分離成單個細胞并孵育，然后用小鑷子和更小的電極，將細胞切割并在顯微鏡下連接，使其非常接近于計算機指定的設(shè)計。
這樣，這些細胞被組裝成了自然界從未見過的形體，隨后它們便開始一起工作了。經(jīng)過上述一番操作，皮膚細胞形成了一個更加被動的結(jié)構(gòu)，而心肌細胞原本無序的收縮則在電腦設(shè)計的指導(dǎo)下，在自組織模式的幫助下，產(chǎn)生有序的向前運動，這也就是機器人實現(xiàn)自行移動的關(guān)鍵。
當(dāng)然，在研究過程中，難免會有一些意想不到的結(jié)果，但有時這些結(jié)果也促成了新的發(fā)現(xiàn)。
研究者們注意到，這些可重組的有機體能夠以一種連貫的方式移動，并且在胚胎能量儲存的驅(qū)動下，用數(shù)天甚至數(shù)周時間探索它們的水環(huán)境，但是反過來的時候卻失敗了，就像甲蟲翻跟頭一樣。
后來，試驗表明，成群的 xenobots 會繞著圈移動，并集體自發(fā)地把一個小球推到中心位置。其他 xenobots 則在中間挖開一個洞，從而減少阻力。而在模擬過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)把這個洞作為一個袋子，它們能成功地攜帶物體。
佛蒙特大學(xué)計算機科學(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），但有時也難免會造成生態(tài)和人類健康問題——比如日益嚴重的海洋塑料污染。
相比之下，Josh Bongard 表示：
xenobots 有自我再生修復(fù)機制，而且當(dāng)它們停止工作、死亡時，通常也不會對外界環(huán)境帶來破壞，它們是完全可生物降解的。七天后當(dāng)它們完成工作時，它們就只是死皮細胞。
【 圖片來源：University of Vermont 雷鋒網(wǎng)注：圖為 Josh Bongard 】
另外，筆記本電腦固然強大，但要是把它摔成兩半，可能就無法工作了。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，這是傳統(tǒng)的機器無法做到的。
同時，研究者也表示，他們對細胞交流、連接潛力的研究，已經(jīng)深入到對計算科學(xué)和對生命的理解中。
Michael Levin 說：
當(dāng)前一個重要的問題便是理解決定形式和功能的算法。基因組能夠編碼蛋白質(zhì)，但硬件如何讓細胞在各種不同的條件下合作，從而進行功能性解剖，這還等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
同時，為了使有機體發(fā)展并起作用，有機計算一直在有機體的細胞內(nèi)和細胞間進行，而不僅僅是在神經(jīng)元內(nèi)。這些幾何特性是通過生物電學(xué)、生物化學(xué)和生物力學(xué)過程形成的，正如 Michael Levin 所說：
這些過程在 DNA 指定的硬件上運行，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)展和越來越復(fù)雜的生物操作會帶來負面影響。對此，Michael Levin 表示：
這種恐懼不是沒有道理，當(dāng)我們開始擺弄連我們自己都不理解的復(fù)雜系統(tǒng)時，結(jié)果可能很難想象。如果人類要在未來生存下去，就需要更好地理解復(fù)雜的性質(zhì)是以何某種方式從簡單的規(guī)則中產(chǎn)生的。大部分科學(xué)都集中在控制“低級規(guī)則”上，我們還需要了解“高級規(guī)則”。
Michael Levin 認為，這項研究對于解決人們心中的恐懼有積極意義，這也是研究團隊的一項意外收獲。
via University of Vermont，雷鋒網(wǎng)編譯。
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