100％青蛙基因！全球首個可編程「活體機器人」誕生：被切成兩半也能自己縫上！

新智元報道

來源：techxplore

編輯：張佳、大明

【新智元導讀】美國科學家利用從青蛙胚胎中提取的活細胞，創造出第一台有生命的機器！「它既不是傳統的機器人，也不是已知的動物物種，而是一類新的人工製品：一種活的、可編程生物。」「福利：1月16日，騰訊微信人工智慧高級研究員錢橋手把手教你「推薦系統與數據思維」，戳右邊鏈接上新智元We站公開課了解更多！」

活體機器人來了！

現在，一組科學家利用從青蛙胚胎中提取的活細胞，創造出第一個有生命的機器。

這些毫米級的「活體機器人」（xenobots）可以朝目標移動，也可以攜帶一個有效載荷（例如需要運送到患者體內特定位置的藥物），還能在切割後自行癒合。

「這些都是新穎的活機器，」佛蒙特大學（簡稱UVM）的計算機科學家和機器人專家Joshua Bongard說：「它們既不是傳統的機器人，也不是已知的動物物種，而是一類新的人工製品：一種活的、可編程生物。」

Joshua Bongard

這些新生物是在UVM的超級計算機上設計的，然後由塔夫茨大學的生物學家組裝和測試。

「我們可以想像，這些活機器人在許多有用的應用中是其他機器無法做到的，」塔夫茨再生與發育生物學中心的負責人Michael Levin說：「就像尋找有害化合物或放射性污染，在海洋中收集微塑性體（microplastic），在動脈中移動以刮除斑塊。」

這項新研究已於1月13日在美國國家科學院院刊上發表。

有史以來第一次，活的、可編程生物誕生

至少從農業出現之初，人們就開始為了人類的利益操縱有機體，基因編輯變得越來越普遍，過去幾年中，已經人工組裝了一些人工有機體，複製了已知動物的身體形態。

但是這項研究，有史以來第一次，「從一開始就設計出完全的生物機器，」研究小組在他們的新研究中寫道。

在UVM的超級計算機集群上進行了數月的處理之後，該團隊（包括主要作者和博士生Sam Kriegman）使用了一種進化演算法，為新的生命形式創建了數千個候選設計。

為了完成科學家們布置的任務，比如朝一個方向移動，計算機會一遍又一遍地將幾百個模擬細胞重組成各種形狀和體型。

從隨機構造開始

當程序運行時（受有關青蛙皮膚和心臟細胞可以做什麼的生物物理基本規則的驅動），更成功的模擬有機體被保留和完善，而失敗的設計被淘汰。在演算法獨立運行一百次之後，選出了最有前途的設計進行測試。

演算法找到一個比較好的構造，比如這個

然後，塔夫茨團隊和顯微外科醫生Douglas Blackiston將硅膠設計轉化為生物體。

首先，他們採集非洲爪蟾（學名「Xenopus laevis」）胚胎中的幹細胞，並將它們分離成單個細胞，然後進行孵化。

接著，使用微型鑷子和一個更小的電極，將細胞切割並在顯微鏡下連接到計算機所指定的設計中。

這些細胞組裝成自然界中從未見過的身體形態，開始協同工作。

皮膚細胞形成了一個更被動的結構，而心肌細胞曾經的隨機收縮被用於創造有序的向前運動，這是在計算機設計的指導下，並藉助於自發的自組織模式，使機器人能夠自行移動。

機器人自行移動

這些可重構的有機體能夠以連貫的方式移動，並能在長達數天或數周的時間內探索它們的水環境，並依靠胚胎儲能。但如果翻了身，它們就失敗了，就像甲殼蟲背部朝下倒在地上那樣。

背部朝下則無法移動，可見移動是源於設計

後來的測試表明，有些活體機器人會繞圈運動，自發地、集體地將小球推到中心位置。

應用1：集體行為

應用2：物體操控

其他的活體機器人則是通過中心開一個洞來減少阻力。在模擬版本中，科學家們能夠將這個洞重新定位為可成功攜帶物體的小袋。

應用3：物體運輸

UVM的計算機科學與複雜系統中心系Bongard教授說：「這是朝著使用計算機設計的生物體進行智能藥物輸送邁出的一步。」

神奇！被切成兩半，還能自己縫上

許多技術的實現離不開鋼、混凝土或塑料。這些材料確實強大、靈活，但也會造成生態危機和人類健康問題，越來越多的塑料垃圾污染了海洋，合成材料和電子產品中的有毒成分對人類健康造成了持續威脅。

Bongard說：「活體組織的缺點是過於脆弱，並且會死亡，所以我們使用鋼鐵做材料。但是，世界上的生物已經生生不息地進化了數十億年，它們的死亡一般是無害的。我們開發的活體機器人完全可生物降解，在工作七天後完成使命後，它們就相當於死去了的皮膚細胞。」

切開後可自愈

筆記本電腦很強大。但切開兩半還能用嗎？在實驗中，科學家就將活體機器人切開兩半，觀察究竟會發生什麼。Bongard說：「我們發現，它會把自己重新縫合起來，然後繼續前進。這是一般機器無法做到的。」

破解神秘代碼：機器人擁有100%青蛙基因

點擊視頻看活體機器人的創造過程

Levin和Bongard都表示，細胞之間進行通訊和互聯的方式，已經深入到計算科學和我們對生命的理解中。Levin說：「生物學的最大問題是如何理解確定形式和功能的演算法。

為了使有機體得以發展和發揮功能，需要在細胞內和細胞間進行大量信息共享與合作，而不僅限於神經元內。這些過程是由生物電、生物化學和生物力學作用所形成的，「這些過程在DNA特定的硬體上運行，而且可重新配置，創造出新的生命形式。」

科學家們認為，這項研究可「用於設計可重構生物的更廣闊的新方法」，是將關於生物電代碼的理念應用於生物學和計算機科學的第一步。

「究竟是什麼決定了細胞協同作用的解剖結構？我們一直在用活體機器人構建細胞，從基因上講，它們是青蛙。我們用的是100％的青蛙DNA，但這些機器人並不是青蛙。所以下一個問題是，這些細胞還能構建出什麼？」Levin說。

Levin說：「這些青蛙細胞可以被打造成有趣的新的生物形式，與它們的原有解剖結構完全不同。」構建活體活體機器人，是邁向破解所謂「形態學代碼」的一小步，更是向著更深入了解生物的整體組織方式，及其計算和存儲信息的方式邁出了一大步。

探索未知未來，打造新生命形式

許多人擔心快速的技術變革和複雜的生物操作會造成未知的不良後果。Levin說：「這種擔心並非沒有道理。當我們開始搞亂我們不了解的複雜系統時，就可能得到意想不到的後果。」

許多複雜的系統（例如蟻群）都是簡單的單元（即螞蟻）構建的，無法預測它們的群落特徵，更無法想像蟻群如何用身體在水上架起一座橋。

Levin說：「如果人類要考慮未來的生存，就需要更充分地了解，簡單規則是如何形成複雜的特徵的。」他說，許多科學都是在「控制底層規則。但我們更需要了解高層規則。

而要實現這一點的第一步就是「探索」：生命系統中決定整體行為的因素是什麼，我們要如何控制這些因素，才能獲得我們想要的行為結果？」

Bongard表示：「生活中蘊含著所有與生俱來的創造力。我們想更深入地了解這一點，利用這些創造力，推動其進化出新的形式。」

參考鏈接：

https://techxplore.com/news/2020-01-team-robots.html

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