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《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

xenobots以非洲爪蛙的名字“Xenopuslaevis”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JoshuaBongard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?！?/p>

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)家組裝和測試。塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任MichaelLevin說：

“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?！?/p>

“定制”的生命系統(tǒng)

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(dòng)物的體型，制造出了一些人造生物，但研究小組表示，這是有史以來第一次“完全從頭開始設(shè)計(jì)的生物機(jī)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(jí)計(jì)算核心（Vermont Advanced Computing Core）的DeepGreen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SamKriegman）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。

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(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)，并且在胚胎能量儲(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，但是反過來的時(shí)候卻失敗了，就像甲蟲翻跟頭一樣。

后來，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則在中間挖開一個(gè)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(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JoshBongard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?！?/p>

“有生命”的技術(shù)

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)和人類健康問題——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(shí)，它們就只是死皮細(xì)胞。”

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)器無法做到的。

破解密碼

同時(shí)，研究者也表示，他們對細(xì)胞交流、連接潛力的研究，已經(jīng)深入到對計(jì)算科學(xué)和對生命的理解中。

MichaelLevin說：“當(dāng)前一個(gè)重要的問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)?！?/p>

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生物電學(xué)、生物化學(xué)和生物力學(xué)過程形成的，正如MichaelLevin所說：

這些過程在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)展和越來越復(fù)雜的生物操作會(huì)帶來負(fù)面影響。對此，MichaelLevin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(shí)，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(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。
責(zé)任編輯：wv