全球首個活體機器人誕生:程式化、會自癒、由超級電腦設計

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圖片來源:University of Vermont

研究者對細胞交流、連接潛力的研究,已深入到對計算科學和對生命的理解中。科學家們創造了世界上第一個由青蛙幹細胞生成的有生命的自癒機器人。

當地時間 1 月 13 日,美國佛蒙特大學(University of Vermont)在其官網上發布新聞稿,宣稱佛蒙特大學與塔夫茨大學(Tufts University)的研究團隊共同展開研究,利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚細胞和心臟細胞,創造出了首個活體機器人「xenobots」(異種機器人)。這項研究已發表在 1 月 13 日的世界頂級學術期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。

全球首个活体机器人诞生:可编程,会自愈,由超级计算机设计
圖片來源: Sam Kriegman from University of Vermont

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特定位置的藥物),受傷後還可自癒傷口。

佛蒙特大學電腦科學家、機器人專家 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,也不是已知的一種動物物種。這是一種新的人工製品——一種活的、可編程的有機體。

xenobots 由佛蒙特大學的超級電腦設計,然後由塔夫茨大學的生物學家組裝和測試。塔夫茨大學再生與發育生物學中心主任 Michael Levin 說:「不難想像,這些機器人有很多其他機器做不到的應用,比如尋找有害化合物或放射性汙染物、在海洋中收集微塑料、在動脈中穿行,清除牙菌斑等等。」

「訂製」的生命系統

眾所周知,至少自農業出現以來,人類就一直在為自身利益操縱生物,基因編輯也愈來愈普遍。過去幾年裡,人類已經透過模仿其他動物的體型,製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「完全從頭開始設計的生物機器」。

大體上,xenobots 的創造過程有兩步。

第一步,利用佛蒙特大學的佛蒙特高級計算核心(Vermont Advanced Computing Core)的 Deep Green 超級電腦集群,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計了上千個設計

為完成任務(比如朝一個方向移動),電腦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——由關於單個青蛙皮膚和心臟細胞能做什麽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 次獨立運行之後,科學家選出了最滿意的設計,用於下一步研究。

第二步,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幹細胞,將其分離成單個細胞並孵育,然後用小鑷子和更小的電極,將細胞切割並在顯微鏡下連接,使其非常接近於電腦指定的設計。

這樣,這些細胞被組裝成了自然界從未見過的形體,隨後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。

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,並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,就像甲蟲翻跟斗一樣。

後來,試驗表明,成群的 xenobots 會繞著圈移動,並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。

佛蒙特大學電腦科學與複雜系統中心教授 Josh 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。」

「有生命」的技術

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製成的,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汙染。

相比之下,Josh 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。7 天後當它們完成工作時,它們就只是死皮細胞。」

全球首个活体机器人诞生:可编程,会自愈,由超级计算机设计
佛蒙特大學電腦科學與複雜系統中心教授 Josh Bongard。
圖片來源:University of Vermont

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 切成兩半後,發現它們可以自癒,然後繼續前進,這是傳統的機器無法做到的。

破解密碼

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。

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,但硬體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,為了使有機體發展並起作用,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。這些幾何特性是透過生物電學、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 指定的硬體上運行,是可重新配置的,也使得新的生命形式成為可能。」

如今,許多人擔心技術的飛速發展和愈來愈複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,當我們開始擺弄連我們自己都不理解的複雜系統時,結果可能很難想像。如果人類要在未來生存下去,就需要更好地理解複雜的性質是以何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』。」

Michael Levin 認為,這項研究對於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。

文:Rachel

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