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编者按:本文来自微信公众号“新智元”(ID:AI_era),36氪经授权发布

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上来源:techxplore

编辑:张佳、大明

【新智元导读】美国科学家利用从青蛙胚胎中提取的活细胞,创造出第一台有生命的机器!“它既不是传统的机器人,也不是已知的动物物种,而是一类新的人工制品:一种活的、可编程生物。”

现在,一组科学家利用从青蛙胚胎中提取的活细胞,创造出第一个有生命的机器。

这些毫米级的“活体机器人”(xenobots)可以朝目标移动,也可以携带一个有效载荷(例如需要运送到患者体内特定位置的药物),还能在切割后自行愈合。

“这些都是新颖的活机器,”佛蒙特大学(简称UVM)的计算机科学家和机器人专家Joshua Bongard说:“它们既不是传统的机器人,也不是已知的动物物种,而是一类新的人工制品:一种活的、可编程生物。”

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上

Joshua Bongard

这些新生物是在UVM的超级计算机上设计的,然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试。

“我们可以想象,这些活机器人在许多有用的应用中是其他机器无法做到的,”塔夫茨再生与发育生物学中心的负责人Michael Levin说:“就像寻找有害化合物或放射性污染,在海洋中收集微塑性体(microplastic),在动脉中移动以刮除斑块。”

这项新研究已于1月13日在美国国家科学院院刊上发表。

有史以来第一次,活的、可编程生物诞生

至少从农业出现之初,人们就开始为了人类的利益操纵有机体,基因编辑变得越来越普遍,过去几年中,已经人工组装了一些人工有机体,复制了已知动物的身体形态。

但是这项研究,有史以来第一次,“从一开始就设计出完全的生物机器,”研究小组在他们的新研究中写道。

在UVM的超级计算机集群上进行了数月的处理之后,该团队(包括主要作者和博士生Sam Kriegman)使用了一种进化算法,为新的生命形式创建了数千个候选设计。

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上

为了完成科学家们布置的任务,比如朝一个方向移动,计算机会一遍又一遍地将几百个模拟细胞重组成各种形状和体型。

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上

从随机构造开始

当程序运行时(受有关青蛙皮肤和心脏细胞可以做什么的生物物理基本规则的驱动),更成功的模拟有机体被保留和完善,而失败的设计被淘汰。在算法独立运行一百次之后,选出了最有前途的设计进行测试。

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算法找到一个比较好的构造,比如这个

然后,塔夫茨团队和显微外科医生Douglas Blackiston将硅胶设计转化为生物体。

首先,他们采集非洲爪蟾(学名“Xenopus laevis”)胚胎中的干细胞,并将它们分离成单个细胞,然后进行孵化。

接着,使用微型镊子和一个更小的电极,将细胞切割并在显微镜下连接到计算机所指定的设计中。

这些细胞组装成自然界中从未见过的身体形态,开始协同工作。

皮肤细胞形成了一个更被动的结构,而心肌细胞曾经的随机收缩被用于创造有序的向前运动,这是在计算机设计的指导下,并借助于自发的自组织模式,使机器人能够自行移动。

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机器人自行移动

这些可重构的有机体能够以连贯的方式移动,并能在长达数天或数周的时间内探索它们的水环境,并依靠胚胎储能。但如果翻了身,它们就失败了,就像甲壳虫背部朝下倒在地上那样。

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上

背部朝下则无法移动,可见移动是源于设计

后来的测试表明,有些活体机器人会绕圈运动,自发地、集体地将小球推到中心位置。

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上

应用1:集体行为

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应用2:物体操控

其他的活体机器人则是通过中心开一个洞来减少阻力。在模拟版本中,科学家们能够将这个洞重新定位为可成功携带物体的小袋。

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应用3:物体运输

UVM的计算机科学与复杂系统中心系Bongard教授说:“这是朝着使用计算机设计的生物体进行智能药物输送迈出的一步。”

神奇!被切成两半,还能自己缝上

许多技术的实现离不开钢、混凝土或塑料。这些材料确实强大、灵活,但也会造成生态危机和人类健康问题,越来越多的塑料垃圾污染了海洋,合成材料和电子产品中的有毒成分对人类健康造成了持续威胁。

Bongard说:“活体组织的缺点是过于脆弱,并且会死亡,所以我们使用钢铁做材料。但是,世界上的生物已经生生不息地进化了数十亿年,它们的死亡一般是无害的。我们开发的活体机器人完全可生物降解,在工作七天后完成使命后,它们就相当于死去了的皮肤细胞。”

100%青蛙基因,全球首个可编程“活体机器人”诞生:被切成两半也能自己缝上

切开后可自愈

笔记本电脑很强大。但切开两半还能用吗?在实验中,科学家就将活体机器人切开两半,观察究竟会发生什么。Bongard说:“我们发现,它会把自己重新缝合起来,然后继续前进。这是一般机器无法做到的。”

破解神秘代码:机器人拥有100%青蛙基因

Levin和Bongard都表示,细胞之间进行通讯和互联的方式,已经深入到计算科学和我们对生命的理解中。Levin说:“生物学的最大问题是如何理解确定形式和功能的算法。

为了使有机体得以发展和发挥功能,需要在细胞内和细胞间进行大量信息共享与合作,而不仅限于神经元内。这些过程是由生物电、生物化学和生物力学作用所形成的,“这些过程在DNA特定的硬件上运行,而且可重新配置,创造出新的生命形式。”

科学家们认为,这项研究可“用于设计可重构生物的更广阔的新方法”,是将关于生物电代码的理念应用于生物学和计算机科学的第一步。

“究竟是什么决定了细胞协同作用的解剖结构?我们一直在用活体机器人构建细胞,从基因上讲,它们是青蛙。我们用的是100%的青蛙DNA,但这些机器人并不是青蛙。所以下一个问题是,这些细胞还能构建出什么?”Levin说。

Levin说:“这些青蛙细胞可以被打造成有趣的新的生物形式,与它们的原有解剖结构完全不同。”构建活体活体机器人,是迈向破解所谓“形态学代码”的一小步,更是向着更深入了解生物的整体组织方式,及其计算和存储信息的方式迈出了一大步。

探索未知未来,打造新生命形式

许多人担心快速的技术变革和复杂的生物操作会造成未知的不良后果。Levin说:“这种担心并非没有道理。当我们开始搞乱我们不了解的复杂系统时,就可能得到意想不到的后果。”

许多复杂的系统(例如蚁群)都是简单的单元(即蚂蚁)构建的,无法预测它们的群落特征,更无法想象蚁群如何用身体在水上架起一座桥。

Levin说:“如果人类要考虑未来的生存,就需要更充分地了解,简单规则是如何形成复杂的特征的。”他说,许多科学都是在“控制底层规则。但我们更需要了解高层规则。

而要实现这一点的第一步就是“探索”:生命系统中决定整体行为的因素是什么,我们要如何控制这些因素,才能获得我们想要的行为结果?”

Bongard表示:“生活中蕴含着所有与生俱来的创造力。我们想更深入地了解这一点,利用这些创造力,推动其进化出新的形式。”

参考链接:

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

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