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  近日，美國佛蒙特大學（University of Vermont）與塔夫茨大學（Tufts University）的研究團隊共同開展研究，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。

  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），受傷后還可自愈傷口。

  佛蒙特大學計算機科學家、機器人專家JoshuaBongard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。這是一種新的人工制品——一種活的、可編程的有機體。”

  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。塔夫茨大學再生與發育生物學中心主任MichaelLevin說：

  “不難想象，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污染物、在海洋中收集微塑料、在動脈中穿行，清除牙菌斑等等。”

“定制”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，基因編輯也越來越普遍。

  過去幾年里，人類已經通過模仿其他動物的體型，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DeepGreen超級計算機集群，研究團隊（包括第一作者和博士生SamKriegman）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），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，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。

  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。

  佛蒙特大學計算機科學與復雜系統中心教授JoshBongard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，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。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。

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。

  MichaelLevin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MichaelLevin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。

  如今，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。對此，MichaelLevin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”。

  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。

  原文鏈接：https://www.pnas.org/content/117/4/1853