首個活體機器人

原標題：全球首個活體機器人誕生：可編程,，會自愈,，由超級計算機設(shè)計

科學(xué)家們創(chuàng)造了世界上第一個由青蛙干細胞生成的有生命的自愈機器人。

當?shù)貢r間 1 月 13 日,，美國佛蒙特大學(xué)（University of Vermont）在其官網(wǎng)上發(fā)布新聞稿,，宣稱佛蒙特大學(xué)與塔夫茨大學(xué)（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(chuàng)造出了首個活體機器人“xenobots”（異種機器人）,。這項研究已發(fā)表在 1 月 13 日的世界頂級學(xué)術(shù)期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

雷鋒網(wǎng)了解到,，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(nèi)特定位置的藥物），受傷后還可自愈傷口,。

佛蒙特大學(xué)計算機科學(xué)家,、機器人專家 Joshua Bongard 是這項研究的聯(lián)合負責(zé)人，他表示：

 它們既不是傳統(tǒng)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(xué)的超級計算機設(shè)計，然后由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家組裝和測試,。塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任 Michael Levin 說：

不難想象,，這些機器人有很多其他機器做不到的應(yīng)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(tǒng)

眾所周知,，至少自農(nóng)業(yè)出現(xiàn)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(jīng)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(shè)計的生物機器”。

大體上,，xenobots 的創(chuàng)造過程有兩步。

首個活體機器人

第一步,，利用佛蒙特大學(xué)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 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(shè)計了上千個設(shè)計。

為完成任務(wù)（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(shù)的形式或身體形狀。隨著程序的運行——由關(guān)于單個青蛙皮膚和心臟細胞能做什么的生物物理學(xué)基本規(guī)則驅(qū)動——更成功的模擬生物被保存,、優(yōu)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(xué)家選出了最滿意的設(shè)計,，用于下一步研究。

第二步,，Michael Levin 帶領(lǐng)的塔夫茨大學(xué)團隊和顯微外科醫(yī)生 Douglas Blackiston 要做的就是關(guān)鍵一步——將電腦設(shè)計變成現(xiàn)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(shè)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(jīng)過上述一番操作,，皮膚細胞形成了一個更加被動的結(jié)構(gòu)，而心肌細胞原本無序的收縮則在電腦設(shè)計的指導(dǎo)下,，在自組織模式的幫助下,，產(chǎn)生有序的向前運動，這也就是機器人實現(xiàn)自行移動的關(guān)鍵,。

當然,，在研究過程中，難免會有一些意想不到的結(jié)果,，但有時這些結(jié)果也促成了新的發(fā)現(xiàn),。

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(qū)動下,，用數(shù)天甚至數(shù)周時間探索它們的水環(huán)境，但是反過來的時候卻失敗了,，就像甲蟲翻跟頭一樣,。

首個活體機器人

后來，試驗表明,，成群的 xenobots 會繞著圈移動,，并集體自發(fā)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)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(xué)計算機科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)中心教授 Josh Bongard 表示：這是電腦設(shè)計的生物向智能藥物輸送領(lǐng)域邁出的一步。

“有生命”的技術(shù)

我們知道,，許多機器,、硬件產(chǎn)品等都是由鋼、混凝土或塑料等材質(zhì)制成的,，這固然有其道理（比如質(zhì)量有保證）,，但有時也難免會造成生態(tài)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(fù)機制,，而且當它們停止工作、死亡時,，通常也不會對外界環(huán)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(xué)家們把 xenobots 切成兩半后,，發(fā)現(xiàn)它們可以自愈,，然后繼續(xù)前進,，這是傳統(tǒng)的機器無法做到的,。

破解密碼

首個活體機器人

同時，研究者也表示,，他們對細胞交流,、連接潛力的研究，已經(jīng)深入到對計算科學(xué)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(zhì),，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?nèi)グl(fā)現(xiàn),。

同時,，為了使有機體發(fā)展并起作用，有機計算一直在有機體的細胞內(nèi)和細胞間進行,，而不僅僅是在神經(jīng)元內(nèi)。這些幾何特性是通過生物電學(xué),、生物化學(xué)和生物力學(xué)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,。

如今,，許多人擔(dān)心技術(shù)的飛速發(fā)展和越來越復(fù)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復(fù)雜系統(tǒng)時，結(jié)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(fù)雜的性質(zhì)是以何某種方式從簡單的規(guī)則中產(chǎn)生的。大部分科學(xué)都集中在控制“低級規(guī)則”上,，我們還需要了解“高級規(guī)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,。