首个活体机器人

这是一种由生物细胞组成的可编程机器人,可自主移动。它不是新物种,不同于现有的器官或生物体,却是活的生物体。

科学家将非洲爪蟾的皮肤细胞和心肌细胞组装成了全新的生命体,这些毫米级的异种机器人可以定向移动,还可以在遇到同类的时候 “搭伙” 合并。它们还可以被定制成各种造型,如四足机器人,如带有 “口袋” 的机器人。未来可期的是,带有 “口袋” 的机器人可以在人体内递送药物。

这些机器人还可以用来寻找危险的化合物或放射性污染物;在人体动脉中移动刮除斑块,拆除这些引发心脑血管病的“定时炸弹”。

生物细胞机器人可以自愈。(来源:佛蒙特大学)

这项研究来自美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学科学家的合作,论文标题为《用于设计可重构生物体的可扩展性管线研究》,发表在 2020 年 1 月 14 日(北京时间)的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。通讯作者系佛蒙特大学计算机科学系教授乔什 · 邦加德(Josh Bongard)。

邦加德告诉 DeepTech,这项研究的主要目的是为了证明计算机设计生物体的概念。

基于进化算法的细胞机器人

图左为超级计算机的模型,图右为由非洲爪蟾皮肤细胞(绿色)和心肌细胞(红色)构建的细胞机器人。(来源:佛蒙特大学)

四足细胞机器人,直径为 650 微米 - 750 微米。(来源:佛蒙特大学)

科学家用计算机设计出了多款可移动的细胞机器人形态。(来源:佛蒙特大学)

生物细胞机器人在向前移动。图上为计算机模型,其中顶部蓝绿色为被动细胞单元,底部绿色和红色为运动细胞单元。图下为活体机器人。(来源:佛蒙特大学)

这类活体机器人来自佛蒙特大学的超级计算机设计,由塔夫茨大学的生物学家进行非洲爪蟾细胞的组装和测试。

邦加德说,这个机器人基于了进化算法,也就是计算机模拟进化的过程。

具体而言就是,计算机首先利用 500 到 1000 个虚拟细胞创建出一组随机设计的生物体,每种设计都有皮肤细胞和心肌细胞的随机排列。毫无疑问,这些设计雏形绝大部分没有动静,但总会有例外。因为心肌细胞会自发收缩和舒张,这就是细胞运动的引擎,如果这些心肌细胞收缩和舒张行为协调得好,极少数雏形就会产生微弱的运动能力。那么研究人员就将这些携带运动能力的雏形进一步复制,其下一代有可能会出现移动速度更快的版本。如此反复复制多代后就会出现能快速移动的机器人版本。

研究人员说,进化算法为新的生命形式创建了多代、数千个候选设计,最终筛选出了可定向移动的机器人形态。

邦加德的计算机设计是由塔夫茨大学的生物学家在实际操作中实现的。在实际操作中,研究人员利用显微工具从非洲爪蟾胚胎中刮下皮肤细胞和心肌细胞的早期细胞,将它们分离成单个细胞,然后孵育。

即使不经人工操作,这些皮肤细胞和心脏细胞自身就会迅速聚集凝结成无定形团块。研究人员使用微小的镊子和电极,手动对聚集的组织进行塑形,在显微镜下操作将其连接成计算机设计的近似形态。

奇迹出现了。在组成了新的形态后,这些细胞就开始协同工作。本来是随机收缩的心肌细胞出现了自组织模式的协调,实现了移动前行。这个机器人被命名为“ xenobots” ,意为非洲爪蟾细胞机器人,而非洲爪蟾是南非的一种水生青蛙,是发展生物学的重要模式生物。

研究人员得出结论,这种运动来自计算机的设计。邦加德在邮件中向 DeepTech 解释了理由,即在将这个细胞机器人进行翻转后,它就像乌龟翻转过来一样四脚朝天不再运动。“这说明向前运动是人工设计的结果,而不是来自偶然。

这个研究还有望揭开细胞之间通讯的奥秘。

生物体形态和功能的关系一直是重大科学问题,其中细胞通讯很是关键。要知道,细胞通讯不限于神经元之间,而是存在于其它细胞之间。这些通讯是通过生物电、生物化学和生物力学来实现的。

这个研究对于了解生命程序很有帮助。《卫报》报道说,研究参与者、塔夫茨大学再生与发育生物学中心主任迈克尔 · 列文(Michael Levin)教授认为,如果人类对控制生命的生长和形态有足够了解的话,那么出生缺陷、癌症和衰老等难题就有望解决。列文实验室主要通过实验和建模来研究细胞通讯和组织形态的关系,以及细胞通讯在胚胎发育过程中的分子机制。

可降解的药物递送

生物细胞机器人的移动轨迹。(来源:佛蒙特大学)

非洲爪蟾的细胞本身并不特殊,但其组成的这个生物体却表现出了生物活体的行为。

这个可编程细胞机器人不仅能维持形态,还能在遭受破坏时自我修复。细胞机器人可在水性环境中存活长达 10 天,并能移动而无需额外补充营养。一些机器人可直线前行,一些机器人可绕圈。

测试表明,有的细胞机器人可以自发地在中间凹陷形成一个中心孔,那么就可将颗粒物聚集到中心位置。研究人员说,这意味着该机器人有进行药物递送的潜力。

当机器人停止工作(也就是死亡)时,它们通常会无害地降解。相比金属和塑料等其它材质的药物递送工具,这也是生物细胞机器人用于人体递送药物的巨大优势。

当被问及这种药物递送方式会不会引发人体免疫反应时,邦加德告诉 DeepTech,如果能够实现用患者自己的细胞制造机器人,这项技术才有望真正用于药物递送了。

只是这些应用前景尚未得到验证。他们的研究主要目的是为了证明计算机设计生物体的概念,而并非为了实现药物递送的应用。

下一步,他们希望能够实现用哺乳动物细胞来创建机器人。那么问题就会随之而来,如果生物细胞机器人产生神经系统和感知系统的话,就要涉及伦理问题了。据《卫报》报道,论文第一作者、佛蒙特大学计算机科学系的博士生山姆 · 克里格曼(Sam Kriegman)表示,这个问题需要公开讨论,需要最终找到一个解决方案。不过他说,如果看过这些机器人的画面,就不会觉得它们会产生对人类的威胁。

有伦理学者认为,这些生物细胞机器人只有在产生能感知疼痛等神经组织的时候,才能上纲上线到伦理道德问题。

通讯作者介绍

乔什 · 邦加德(Josh Bongard),佛蒙特大学计算机科学系教授,研究重点是进化机器人技术,进化计算和物理模拟。他负责形态学、进化与认知实验室,其工作重点是形态学和进化在认知中的作用。他希望纳入生物进化的机制,制造出复杂的自动进化的能解决复杂问题的机器人。

他于 2007 年分别获得 “微软学者” 奖学金和《麻省理工科技评论》35 岁以下的 35 位年轻创新者之一,2010 年获得奥巴马颁发的总统科学家和工程师早期职业奖(PECASE)。

他于 1997 年获得加拿大麦克马斯特大学计算机科学学士学位,于 1999 年获得英国萨塞克斯大学进化与自适应系统硕士,2003 年获得瑞士苏黎世大学信息学系博士学位。

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