全球首个活体可编程机器人诞生:100%青蛙基因,劈半还能自愈

2020-01-15 17:05 来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创 王颖 智东西
看点:机器人“活了”!美国科学家造出异种生命体,可在体内定向送药。
未来世界什么最令你感到恐惧?当机器人变成有生命有思想的“人”意味着什么?
现在,这已经不再是科幻和神话,全球首个活体机器人诞生了!这项最新的研究结果已经于1月13日在美国国家科学院院刊上发表。
美国佛蒙特大学计算机科学家和塔夫茨大学生物学家共同创造出100%使用青蛙DNA的可编程的活体机器人xenobots。它既不是常见的金属机器人也不是传统意义上的生物体。
这种毫米级的“异种机器人”可以负载一定重量的物体朝着目标移动,例如在患者体内将药物运送到特定位置。这种活体机器人还能在被切割后进行自愈。
新型人工制品:一种活的可编程生物
科学家利用从青蛙胚胎中提取的活细胞在UVM的超级计算机上进行设计,然后由塔夫茨大学的生物学家进行组装和测试。
xenobots的大小只有几毫米,能按照计算机程序设计的路线移动,还能负载一定的重量。
与传统机器人不同,xenobots不是由金属、混凝土或塑料制成,而是100%由青蛙细胞创造出的一种新生命体。它们是一种新的人工作制品:一种活的可编程生物。
未来的某一天,它们可以被用于各种任务,例如寻找放射性污染、在海洋中收集微塑料或者在人的动脉中刮擦斑块。
从农业时代开始,人类就开始在为自己的利益操纵生物,遗传基因编辑正变得越来越普遍,并且在过去几年中,已经人工组装了一些人造生物,复制了已知动物的体型。
但研究小组在论文中写道:“这是人类有史以来第一次从头开始完全设计生物机器。”
100%青蛙基因组成活体机器人
为了能让xenobots按照科学家指定的方式移动,研究团队在UVM的Vermont Advanced Computing Core的Deep Green超级计算机集群上进行了数月的处理,并使用了一种进化算法为xenobots创建了数千个候选设计。
当程序运行时,受青蛙皮肤细胞和心脏细胞的生物性驱动,xenobots会产生运动趋势。
通过计算机一遍又一遍的将数百个模拟细胞重新组装成无数种形式和体型,科学家们确定了最优的设计方案。
在Michael Levin的领导下,塔夫茨大学生物中心的团队和显微外科医生Douglas Blackiston将测试从计算机转移到现实中。
首先,他们收集了从非洲蛙(非洲爪蟾)的胚胎中收获的干细胞,将它们分成单个细胞,并进行孵育。然后使用微型镊子和电极,将细胞切割,并在显微镜下连接成计算机设计的方案模型。
这些细胞组成了自然界中从未见过的生物体形态,并开始协同工作。
青蛙的皮肤细胞成为了更为被动的结构,心肌细胞则通过收缩在计算机设计的指导下促使机器人有序的向前运动。
这些重新配置的生物体能够以连贯的方式移动,并能在数天或数周内探索水中环境,并依靠胚胎储能。
不过,如果活体机器人被翻过来,像甲虫背部朝下那样,它们就无法继续移动了,也不能自己翻身。
后来的测试表明,xenobots还能自发的进行团队合作将测试物体推到中央位置。它们合体行动时还会自发组成中间有孔的形状,以减少前进的阻力。
在这些模拟版本中,科学家们将这个孔重新定位为可携带物体的“口袋”。
可降解、无污染、能自愈
UVM的计算机科学与复杂系统中心系教授Bongard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。”
传统金属或塑料原材料制成的机器人虽然更加强大或者灵活,但同时也会影响生态和人类的健康。
Bongard说:“活组织的缺点是它薄弱并且会降解,但是生物体不断再生衍进已经有了45亿年的时间经验,生物体的死亡通常是无害的。”
这种机器人是完全可降解的,当它们完成七天的工作使命后,只是一些死了的皮肤细胞而已。
科技产品虽然功能强大,但被破坏后都无法再继续使用。比如笔记本电脑,如果将电脑劈成两半,是无法再进行运算的。
但xenobots不同,科学家将它们切成两半后观察到,这些机器人居然会自我愈合,然后毫发无伤的继续按照既定路线前进。这显然是普通机器人无法做到的。
打破默认细胞结构,全新生物形式诞生
Michael Levin说:“正如我们所展示的,这些青蛙细胞可以组成任何有趣的生物形式,这与它们的默认解剖结构完全不同。”
为了使有机体得以发展和发挥功能,许多信息共享与合作(有机计算)一直在细胞内和细胞间进行,而不仅限于神经元内。
这些新兴的几何特性是由生物电,生化和生物力学过程所塑造的,这些过程可以重新配置,从而实现了新颖的生物形式。
科学家们认为,他们提出的工作“用于设计可重构生物的可扩展管道”是将对生物电代码的见解应用于生物学和计算机科学的第一步。
Michael Levin认为,从基因组织上来看,xenobots的本质是青蛙,它100%由青蛙的DNA组成,但它们却不是青蛙。他说:“构建异种机器人是迈向破解‘形态学代码’的一小步,提供了更深入了解生物的整体组织方式以及它们如何根据其历史和环境来计算和存储信息。”
了解未知世界的高层规则
许多人担心快速的技术变革和复杂的生物操作会对社会生活带来影响。但当我们开始进行一些未知的研究时,总会得到意想不到的效果。
Michael Levin说:“许多科学都集中在控制底层规则,我们需要去了解高层规则。”
许多复杂的系统(例如蚁群)都以一个简单的单元(即蚂蚁)开始,因此无法预测它们的菌落形状或如何利用相互连接的物体在水上架起桥梁。
UVM的Josh Bongard说:“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,以及我们如何指导和推动它发展新形式。”
原文来自:Techxplore
论文链接:
https://www.pnas.org/content/pnas/early/2020/01/07/1910837117.full.pdf

原标题:《全球首个活体可编程机器人诞生!100%青蛙基因,劈成两半还能自愈》
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关键词 >> 活体机器人
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