全球首个活体机器人诞生:可编程 会自愈

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科学家们创造了世界上第一个由青蛙干细胞生成的有生命的自愈机器人。

当地时间1月13日,美国佛蒙特大学(University of Vermont)在其官网上发布新闻稿,宣称佛蒙特大学与塔夫茨大学(Tufts University)的研究团队共同开展研究,利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮肤细胞和心脏细胞,创造出了首个活体机器人“xenobots”(异种机器人)。

这项研究已发表在1月13日的世界顶级学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

全球首个活体机器人诞生:可编程 会自愈

xenobots以非洲爪蛙的名字“Xenopuslaevis”命名,不到1毫米宽的xenobots可以向目标移动,也可拿起物体(比如需要运送到患者体内特定位置的药物),受伤后还可自愈伤口。

佛蒙特大学计算机科学家、机器人专家JoshuaBongard是这项研究的联合负责人,他表示:“它们既不是传统的机器人,也不是已知的一种动物物种。这是一种新的人工制品——一种活的、可编程的有机体。”

xenobots由佛蒙特大学的超级计算机设计,然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试。塔夫茨大学再生与发育生物学中心主任MichaelLevin说:

“不难想象,这些机器人有很多其他机器做不到的应用,比如寻找有害化合物或放射性污染物、在海洋中收集微塑料、在动脉中穿行,清除牙菌斑等等。”

“定制”的生命系统

众所周知,至少自农业出现以来,人类就一直在为自身利益操纵生物,基因编辑也越来越普遍。

过去几年里,人类已经通过模仿其他动物的体型,制造出了一些人造生物,但研究小组表示,这是有史以来第一次“完全从头开始设计的生物机器”。

大体上,xenobots的创造过程有两步。

第一步,利用佛蒙特大学的佛蒙特高级计算核心(Vermont Advanced Computing Core)的DeepGreen超级计算机集群,研究团队(包括第一作者和博士生SamKriegman)用了几个月的时间,用进化算法为这一新的生命形式设计了上千个设计

为完成任务(比如朝一个方向移动),计算机会一遍遍地将几百个模拟细胞重新组合成无数的形式或身体形状。随着程序的运行——由关于单个青蛙皮肤和心脏细胞能做什么的生物物理学基本规则驱动——更成功的模拟生物被保存、优化,而失败的则被抛弃。在对算法进行100次独立运行之后,科学家选出了最满意的设计,用于下一步研究。

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第二步,Michael Levin带领的塔夫茨大学团队和显微外科医生Douglas Blackiston要做的就是关键一步——将电脑设计变成现实

他们先从非洲蛙种非洲爪蟾的胚胎中收集干细胞,将其分离成单个细胞并孵育,然后用小镊子和更小的电极,将细胞切割并在显微镜下连接,使其非常接近于计算机指定的设计。

这样,这些细胞被组装成了自然界从未见过的形体,随后它们便开始一起工作了。经过上述一番操作,皮肤细胞形成了一个更加被动的结构,而心肌细胞原本无序的收缩则在电脑设计的指导下,在自组织模式的帮助下,产生有序的向前运动,这也就是机器人实现自行移动的关键。

当然,在研究过程中,难免会有一些意想不到的结果,但有时这些结果也促成了新的发现。

研究者们注意到,这些可重组的有机体能够以一种连贯的方式移动,并且在胚胎能量储存的驱动下,用数天甚至数周时间探索它们的水环境,但是反过来的时候却失败了,就像甲虫翻跟头一样。

后来,试验表明,成群的xenobots会绕着圈移动,并集体自发地把一个小球推到中心位置。其他xenobots则在中间挖开一个洞,从而减少阻力。

而在模拟过程中,科学家们发现把这个洞作为一个袋子,它们能成功地携带物体。

佛蒙特大学计算机科学与复杂系统中心教授JoshBongard表示:“这是电脑设计的生物向智能药物输送领域迈出的一步。“

“有生命”的技术

我们知道,许多机器、硬件产品等都是由钢、混凝土或塑料等材质制成的,这固然有其道理(比如质量有保证),但有时也难免会造成生态和人类健康问题——比如日益严重的海洋塑料污染。

相比之下,Josh Bongard表示:“xenobots有自我再生修复机制,而且当它们停止工作、死亡时,通常也不会对外界环境带来破坏,它们是完全可生物降解的。七天后当它们完成工作时,它们就只是死皮细胞。”

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另外,笔记本电脑固然强大,但要是把它摔成两半,可能就无法工作了。但科学家们把xenobots切成两半后,发现它们可以自愈,然后继续前进,这是传统的机器无法做到的。

破解密码

同时,研究者也表示,他们对细胞交流、连接潜力的研究,已经深入到对计算科学和对生命的理解中。

MichaelLevin说:“当前一个重要的问题便是理解决定形式和功能的算法。基因组能够编码蛋白质,但硬件如何让细胞在各种不同的条件下合作,从而进行功能性解剖,这还等着我们去发现。”

同时,为了使有机体发展并起作用,有机计算一直在有机体的细胞内和细胞间进行,而不仅仅是在神经元内。这些几何特性是通过生物电学、生物化学和生物力学过程形成的,正如MichaelLevin所说:

这些过程在DNA指定的硬件上运行,是可重新配置的,也使得新的生命形式成为可能。

如今,许多人担心技术的飞速发展和越来越复杂的生物操作会带来负面影响。对此,MichaelLevin表示:

这种恐惧不是没有道理,当我们开始摆弄连我们自己都不理解的复杂系统时,结果可能很难想象。如果人类要在未来生存下去,就需要更好地理解复杂的性质是以何某种方式从简单的规则中产生的。大部分科学都集中在控制“低级规则”上,我们还需要了解“高级规则”。

Michael Levin认为,这项研究对于解决人们心中的恐惧有积极意义,这也是研究团队的一项意外收获。

weinxin
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