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全球首個活體機器人誕生:可編程生物 代碼已開源

“全球首個活體機器人誕生了!”2020年1月13日,世界頂級學術期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)公布了這個震驚全球的消息。

 

活體機器人

 

這是一種完成由生物細胞組成,由計算機“算法”編程設計出來的新物種。是的,你沒看錯!這個“活體機器人”的材料只是用了一些生物細胞,而無需任何的金屬、塑料和電路元件。

 


活體機器人是什么梗?

 

這個活體機器人名字叫“Xenobots”(異種機器人)。是美國“佛蒙特大學”計算機科學家和“塔夫茨大學”生物學家跨界合作的研究成果。

 

活體機器人

 

活體機器人的名字“Xenobots”來源于非洲爪蛙(Xenopus laevis),這也是為其提供干細胞的青蛙種類。研究團隊利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚細胞和心臟細胞,創造了可編程的活體機器人。

 

活體機器人

 

Xenobots的長度不到1毫米(0.04英寸),能按照計算機程序設計的路線移動,還能負載一定的重量,可以在人體內部移動。他們可以步行、游泳,沒有食物也可以生存數周,并且可以一同合作工作。

 

更牛叉的是,這些活體機器人具有自我愈合的功能。參與研究的計算機科學家約書亞 · 邦加德(Joshua Bongard)表示:“我們把機器人切成兩半,它會自己縫合起來,然后繼續前進。”

 

約書亞·邦加(Josh Bongard)

約書亞 · 邦加德(Joshua Bongard)

 

佛蒙特大學計算機科學家、機器人專家約書亞 · 邦加德(Joshua Bongard)是這項研究的聯合負責人,他表示:

 

“它們既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種。它是一類新的人工制品:一種活的可編程生物。”

 

邁克爾·萊文(Michael Levin)


邁克爾 · 萊文(Michael Levin)

 

塔夫茨大學再生與發育生物學中心主任邁克爾 · 萊文(Michael Levin)也表示:

 

“這是全新的生命形式。它們從未在地球上出現過。”

 


活體機器人能干什么?

 

Xenobot機器人看起來不像傳統的機器人,它們沒有閃亮的齒輪或機械臂。取而代之的是,它們看起來更像是一團移動的肉團。研究人員說,這是有意的,這種“生物機器”可以實現鋼鐵和塑料機器人通常無法做到的事情。

 

活體機器人

 

研究者們認為,Xenobot的特性展示了其未來無限的可能性。它們可以被用來清理海洋中的微塑料污染,尋找和消化有害化合物或放射性污染物,或者進入人體血管精準輸送藥物、清除動脈壁上的斑塊,清除牙菌斑等等。

 

除了這些直接的實際任務,活體機器人還可以幫助研究人員更多地了解細胞生物學,從而為人類健康和長壽的未來發展打開大門。

 

活體機器人

 

研究人員說:“如果我們可以按需制作3D生物形式,我們可以修復先天缺陷,將腫瘤重編程為正常組織,在外傷或退行性疾病后再生并戰勝衰老。”

 

這項研究可能“對再生醫學產生巨大影響(構建身體部位并誘導再生)。”

 


活體機器人是怎么做出來的?

 

Xenobots 由佛蒙特大學的超級計算機設計,然后由塔夫茨大學的生物學家組裝和測試。大體上,Xenobots 的創造過程有兩步:

 

第一步:用超級計算機“進化算法”設計

 

利用佛蒙特大學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山姆 · 克里格曼 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計了上千個設計。

 

活體機器人代碼

代碼已開源,地址見文末

 

為完成任務(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的形式或身體形狀。隨著程序的運行——由關于單個青蛙皮膚和心臟細胞能做什么的生物物理學基本規則驅動——更成功的模擬生物被保存、優化,而失敗的則被拋棄。在對算法進行 100 次獨立運行之后,科學家選出了最滿意的設計,用于下一步研究。

 

第二步:由生物學家將電腦設計變成現實

 

邁克爾 · 萊文(Michael Levin)帶領的塔夫茨大學團隊和顯微外科醫生 Douglas Blackiston 要做的就是關鍵一步——將電腦設計變成現實。

 

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。經過上述一番操作,皮膚細胞形成了一個更加被動的結構,而心肌細胞原本無序的收縮則在電腦設計的指導下,在自組織模式的幫助下,產生有序的向前運動,這也就是機器人實現自行移動的關鍵。

 

研究人員表示,它們體積很小,但最終計劃是將它們按比例縮放。

 

活體機器人

 

當然,在研究過程中,難免會有一些意想不到的結果,但有時這些結果也促成了新的發現。

 

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動下,用數天甚至數周時間探索它們的水環境,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,科學家們發現把這個洞作為一個袋子,它們能成功地攜帶物體。

 

活體機器人

 

約書亞 · 邦加德(Joshua Bongard)表示:“這是電腦設計的生物向智能藥物輸送領域邁出的一步。”

 


活體機器人的科研意義

 

“有生命”的環保技術

 

我們知道,許多機器、硬件產品等都是由鋼、混凝土或塑料等材質制成的,這固然有其道理(比如質量有保證),但有時也難免會造成生態和人類健康問題——比如日益嚴重的海洋塑料污染。

 

相比之下,約書亞 · 邦加德(Joshua Bongard)表示:

 

“Xenobots 有自我再生修復機制,而且當它們停止工作、死亡時,通常也不會對外界環境帶來破壞,它們是完全可生物降解的。七天后當它們完成工作時,它們就只是死皮細胞。”

 

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。但科學家們把 Xenobots 切成兩半后,發現它們可以自愈,然后繼續前進,這是傳統的機器無法做到的。

 

活體機器人

 

破解生命密碼

 

同時,研究者也表示,他們對細胞交流、連接潛力的研究,已經深入到對計算科學和對生命的理解中。

 

邁克爾 · 萊文(Michael Levin)說:

 

“當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,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,這還等著我們去發現。”

 

同時,為了使有機體發展并起作用,有機計算一直在有機體的細胞內和細胞間進行,而不僅僅是在神經元內。這些幾何特性是通過生物電學、生物化學和生物力學過程形成的,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。”

 


活體機器人有可能帶來的負面影響

 

這樣的一個“異形”機器人,會讓你想起科幻電影《異星覺醒》:一個單細胞就能毀天滅地。許多人擔心技術的飛速發展和越來越復雜的生物操作會帶來負面影響。

 

活體機器人

 

對此,邁克爾 · 萊文(Michael Levin)表示:

 

“這種恐懼不是沒有道理,當我們開始擺弄連我們自己都不理解的復雜系統時,結果可能很難想象。如果人類要在未來生存下去,就需要更好地理解復雜的性質是以何某種方式從簡單的規則中產生的。大部分科學都集中在控制“低級規則”上,我們還需要了解“高級規則”。”

 

邁克爾 · 萊文(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。

 

佛蒙特大學研究團隊博士生山姆 · 克里格曼(Sam Kriegman)坦承,這項研究帶來了新的道德問題:這類機器人的未來變體可能具有神經系統和認知能力。

 

“我認為重要的是,這項研究是公開的,社會可以對其進行討論,政策制定者也能有針對性地制定最佳行動方案。”

 


論文地址:https://www.pnas.org/content/early/2020/01/07/1910837117

Github項目:https://github.com/skriegman/reconfigurable_organisms

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