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人類有史以來第一批活體機器人!美國國家科學院出品!劈成兩半還能自愈!Xenobots機器人到底是什么?

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人類對于制造新的生物機器人一直情有獨鐘,因為這或許將解決細胞衰老、肢體重生的問題或者是制造新生命。

早在18世紀,科學家就意識到向死去的動物施加電流可能會使它們的肌肉抽搐,這像是新生的一種方式,隨后這種想法就迅速流行了起來,電也被字面上寫成“生命之火花”,這種理論如此讓人興奮,以至于后續還進入了文學和藝術領域,例如瑪麗·雪萊(Mary Shelley)1818年的小說《科學怪人》(Frankenstein)就是一個例子,雷電風暴激發了年輕的科學怪人弗蘭肯斯坦博士將死者復活。但是事實證明,對生物電信號的實際科學研究極具挑戰性,人類一直以來都還不具備新生的條件,直到最近這個“ xenobots”生物機器人的出現。這是一種全新的人造生命。

左側是在UVM超級計算機上發現的計算機設計生物的解剖藍圖。在右側,完全由青蛙皮膚(綠色)和心肌(紅色)細胞構建的生物體。當這些新自然生物在顆粒物領域中移動時,其背景顯示了由這些新自然生物群雕刻的痕跡。(提供者:Sam Kriegman,UVM)

xenobots機器人是什么?

xenobots”生物機器人是什么?如果回到物體的本質,這個問題就很好回答,可以用一個簡單的例子說明,一本書,我們通常就可以想到,一本書是用木頭做的,但我們所看到的它在物理形體上不是一棵樹,因為在生物學基準上,原本在樹木上死掉的細胞,被人類重新利用以滿足另一個制作書的需要,于是有了我們能看到的書。

基于相同原理,佛蒙特大學和塔夫茨大學的科學家在UVM超級計算機上設計了活體機器人。

佛蒙特大學的計算機科學家和機器人專家,也是這項新研究的負責人Joshua Bongard說:“這些都是新穎的活體機器人?!? “它們既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種,它是一類新的人工制品:一種活的可編程生物!”

一種人造的四足動物,直徑為650-750微米,比針頭小一點。

(圖片來源:Douglas Blackiston, Tufts University)

早先在塔夫茨大學,他們利用了從青蛙胚胎中提取的活細胞,并將它們組裝成全新的生命形式,這些毫米級的“ xenobots”可以朝目標自行移動,環繞目標并在被切割后自行愈合。這些新穎的生活機器既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種。它們是一類新的人工制品:一種活的可編程生物。

科學家設想,有一天,它們可以用于各種任務,例如尋找放射性污染,在海洋中收集微塑料或在人的動脈中刮擦斑塊。塔夫茨再生與發育生物學中心的負責人邁克爾·萊文說:“我們可以想象,這些活體機器人在許多有用的應用場景中都具有獨特性,其功能是其他機器無法做到的?!?

xenobots機器人的誕生

xenobots生物機器人的出現或許也是人類發展的必然方向,因為從18世紀以來,人類制品大多數技術由鋼,混凝土,化學藥品和塑料制成,雖然它們會隨著時間的流逝而降解,但更多是會產生有害的生態和健康副作用。因此,使用能自我講解和生物相容性材料構建技術必然是人類的大方向,其中最理想的候選者是生命系統本身。

生命系統比目前任何技術都更加完善化,多樣化,他們是人類生活的基本,但是,我們創造新生命形式的能力目前僅限于在體外改變現有的生物或生物工程類器官。于是美國的科學家大膽提出了這種用于創建功能新穎的生命形式的可擴展方式:用AI自動在計算機中設計各種候選生命形式以執行某些所需功能,然后使用基于單元的構造工具包創建可移植設計,以實現具有預期行為的生活系統。

基于此,佛蒙特大學和塔夫茨大學的科學家提出這種從頭開始完全設計生物機器的方法:計算機在模擬仿真中自動設計新機器人組織架構,然后通過生物實驗,將不同的生物組織組合在一起來構建理論中的最佳設計。這表明其他人可能會使用這種方法來設計各種生物機器,以安全地將藥物輸送到人體內,幫助進行環境修復,或者進一步擴大我們對生命可能采用的多種形式和功能的理解。

盡管此流程中的某些步驟仍需要人工干預,但將來完全自動化后,必然將為設計和部署用于各種功能的個性化定制生活系統鋪平道路。目前的xenobots生物機器人就是在美國UVM的超級計算機上設計的,然后由塔夫茨大學的生物學家組裝和測試,實現了一個新生命的誕生.

佛蒙特大學教授喬什·邦加德(Josh Bongard)圖源: Joshua Brown

這項新研究的結果于1月13日發表在《美國國家科學院院刊》上。

新生命是多學科進步后的必然

新生物機器人的出現不是巧合,而是長期積累后的產物。至少從農業出現之初,人們就一直在為人類的利益而不斷嘗試操縱和改造生物,例如對于狼到狗的改造,對于野貓到家貓的改造,遺傳基因編輯正變得越來越普遍。

并且生物技術的不斷發展也為此提供了更多的可能性。眾所周知的是,在過去的幾年中,已經有實驗室人工開始嘗試制造了一些人造生物,并復制了已知動物的身體形態(例如前段時間就有人復制已故的寵物貓)。

但這次研究成果與以往的成績有所不同,研究小組在已發表的最新研究中寫道,這是人類有史以來第一次“完全無參照從零開始設計具備完全生物體體征的機器人”。這是一個在生物學上的更進一步。

超級計算機和AI也為誕生提供了必要條件??茖W團隊在UVM公司的Vermont Advanced Computing Core(美國佛蒙特州高級計算核心)的Deep Green超級計算機集群上為此進行了數月的處理之后,才開發并使用了一種進化算法,并由AI為新的生命形式創建了數千個候選設計,之后生物學家才嘗試完成科學家分配的任務(例如在一個方向上做不規則移動),計算機一遍又一遍地將數百個模擬細胞重新組裝成無數種形式和體形,才有了最終的可能。

隨著計算機程序運行,生物編輯基本規則的不斷完善,科學團隊受“有關青蛙蛙皮膚和心臟細胞可以做什么的生物物理基本規則”的驅動,實驗室通過不斷模擬生物,篩選保留和改良有可能的進化體,拋棄失敗的設計,在算法獨立運行一百次之后,他們成功選擇出了最有前途的設計體進行測試,并獲得了成功。

隨后,在萊文(Levin)的帶領下,在塔夫茨(Tufts)團隊以及顯微外科醫師道格拉斯·布萊克斯頓(Douglas Blackiston)的關鍵工作下,研究人員將計算機設計變為現實。首先,他們收集了從非洲蛙(非洲爪蟾)的胚胎中提取的干細胞。(因此,機器人名稱為“ xenobots”。)將它們分成單個細胞進行孵育,隨后他們使用微型鑷子和一個更小的電極,將細胞切割并在顯微鏡下連接到計算機所指定的設計中。

生活技術應用

這些細胞組構成自然界中從未見過的身體形態,并且開始協同工作。皮膚細胞形成了更為被動的結構,而曾經隨機收縮的心肌細胞開始起作用,在微型計算機的設計指導幫助下,并在生物物體自發形成的自組織模式下,使生命體有序的向前運動成為可能,從而使機器人擁有得以前進的能力,這些可重構的有機體被證明能夠以連貫的方式移動,并能依靠胚胎儲能在數天或數周的時間內生存,并探索它們周圍的水環境。具有可控生命體體征和運動能力代表著xenobots能被稱為一個生命體。

科學團隊表示,后來的實驗測試表明,成群的xenobots會做環狀運動,這使得它們能將顆粒自發地和集體地推到中央位置,同時也可以在機器人身上設計一個減少阻力的小口,在這些的模擬版本中,科學家們能夠將這個孔重新定位為可成功攜帶物體的小口袋。UVM的計算機科學和復雜系統中心系教授Bongard說:“這是計算機設計的生物體能進行智能藥物輸送邁出的關鍵一步?!?

目前許多醫療機器人和生物技術是由鋼或塑料制成的,這些元素可以使它們非常穩固,但是廢棄后的它們也會造成生態問題和人類健康問題,例如海洋中日益嚴重的塑料污染以及許多合成材料和電子產品的毒性??茖W團隊稱,這也是他們不使用鋼鐵作為主要生產原料的原因,活組織的優點和缺點都是它結構薄弱并且會降解,因為生物在再生和自身持續數十年的發展中,已經擁有45億年的實踐經驗,當生物停止工作時(死亡),它們通常會無害地分崩離析。UVM的Bongard教授說:“我們這些xenobots是完全可生物降解的,當它們在工作七天后完成工作時,它們就只是死了的皮膚細胞,這比目前的排出式微型機器人更先進?!?

在醫療模擬下,xenobots的另一特性更讓人震驚,物理的特質來說,細胞分解后很難重新聚集,但在新的實驗中,科學家切割了xenobots并觀察了發生的情況。Bongard舉例說明道:“我們的筆記本電腦是一項強大的技術,但是嘗試將其切成兩半,它就不太好用。我們將機器人切成兩半,但是隨后它就將自己縫合起來,然后繼續前進,這是典型機器無法做到的?!边@或許也為新的生物機器人具有的獨特特性提供了依據,想象一下分離的肢體斷裂后直接能夠接起來的畫面,我們會想到很多電影的場景。

破解形態學代碼

Levin和Bongard都表示,目前人類所了解的細胞如何溝通和連接的潛力,其實已經深入到計算科學和我們對生命的理解中,在這個成品中就得到了較好表現。Levin認為目前生物學的最大問題是了解生物體態生物上的決定形式和將其變成具體功能的算法。例如基因組編碼蛋白質,人類在硬件如何模仿并使細胞能在多種不同的條件下合作,從而進行功能解構,就是最難的挑戰。

為了克服這一挑戰,使有機體得以發展和發揮功能,他們想到讓許多信息共享與合作單元(有機計算)一直在細胞內和細胞間進行,而不僅限于神經元內。萊文說:“這些新興的幾何特性是由生物電,生物化學和生物力學過程所形成的,這些過程在DNA特定的硬件上運行,這些過程是可重構的,從而使新的生命形式成為可能?!?

使用計算機模擬設計來創建xenobots的體內活體延時記錄,并通過計算機操作和組裝細胞的過程。圖片來源:塔夫茨大學道格拉斯·布萊克斯頓

科學家們認為,他們在新的PNAS研究中提出的工作- “用于設計可重構生物的可擴展管道”,是將有關此生物電代碼的見解,應用于生物學和計算機科學的第一步?!熬烤故鞘裁礇Q定了細胞協同作用的解剖結構?” 萊文提出?!巴饨缌私馕覀円恢痹谟脁enobots構建的細胞,并且從基因上講,它們就是青蛙,它是100%的青蛙DNA,但在基因學上也可以不是青蛙,那么人們會去思考,這些細胞還能構建什么?”

萊文說:“正如我們所展示的,這些青蛙細胞可以被編寫成有趣的生物形式,這與它們的默認解剖結構完全不同?!? 他和Tufts小組的其他科學家在DARPA和UVM的“終身學習機器人”計劃以及美國國家科學基金會的支持下,仍在不斷進行研究,他認為構建xenobots只是邁向破解他所謂的“形態學代碼”的一小步,下一步是了解更深入的了解生物的整體組織方式,以及思考它們該如何根據其歷史和環境來計算和存儲信息。

未來的沖擊

許多人擔心快速的技術變革和復雜的生物操作的影響。萊文說:“這種恐懼并非沒有道理,因為當我們開始處理我們不了解的復雜系統時,我們或許將得到意想不到的后果。但這個過程是不可避免的,因為許多復雜的系統(例如蟻群)其實都以一個簡單的單元(即螞蟻)開始,因此如果無法預測它們的形態學形狀,也也無從知道他們如何利用相互連接的身體在水上架起橋梁?!比R文認為如果人類要生存到未來,就需要更好地理解復雜的屬性是如何從簡單的規則中產生的。他說,目前人類的許多科學都集中在“控制底層規則,但我們人類還需要了解高層規則,從而進行頂層設計。

萊文認為社會絕對有必要對結果非常復雜的系統進行更好的處理,而不是因為恐懼其后果而規避,但要做到這一點的第一步是探索:例如生命系統如何決定整體行為?其完整體應該是什么,以及我們如何操縱碎片來獲得我們想要的行為?

萊文說:“換句話說,這項研究是對解決人們所擔心的事情的直接貢獻,這是意想不到的后果。但無論是自動駕駛汽車的迅速到來,還是改變基因驅動以消滅整個病毒譜系,或許多其他復雜的自治系統,必然都將逐漸改變人類的生活體驗,這是人類向前邁步的根源。

UVM的Bongard總結說:“生活中蘊含著生物所有與生俱來的創造力,我們人類只是也只需要想更深入地了解這一點,指導和推動它走向新形式,這或許就夠了?!?

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