未来自我修复不是梦 全球首个活体机器人诞生 遭破坏时可自愈

来源:钛媒体
2020-01-15 09:55:44

全球顶级期刊《美国科学院院报》(PNAS)发表了一项最新重磅研究:美国科学家利用从青蛙胚胎中提取的活细胞,创造出了第一个毫米级“活体可编程机器人”(以下称为“活体机器人”,英文为 Xenobots)。

未来自我修复不是梦 全球首个活体机器人诞生 遭破坏时可自愈

你能想象机器人有生命吗?

北京时间1月14日凌晨,全球顶级期刊《美国科学院院报》(PNAS)发表了一项最新重磅研究:美国科学家利用从青蛙胚胎中提取的活细胞,创造出了第一个毫米级“活体可编程机器人”(以下称为“活体机器人”,英文为 Xenobots)。

未来自我修复不是梦 全球首个活体机器人诞生 遭破坏时可自愈

简单来说,“活体机器人”是一种由 100% 青蛙细胞所创造出的新生命个体——非金属非机械结构、非单细胞生物体,是一种新的活体可编程生物。

该“机器人”拥有两个“短腿”,并能依靠自主力量朝目标移动。最为关键的一点,由于它们是“活体机器人”,即便被损坏或撕裂,也能自行复制和修复。

本项研究由佛蒙特大学(UVM)计算机科学系教授约书亚·邦加(Joshua Bongard)的团队主导,在 UVM 的超级计算机上设计,然后再由美国塔夫茨大学的生物学家组装和测试,是一次跨“计算机+生物”领域的完美合作。

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约书亚·邦加(Joshua Bongard)

本篇论文的共同作者,塔夫茨大学再生与发育生物学中心的负责人迈克尔·莱文(Michael Levin)认为,从基因组织上来看,Xenobots 活体机器人的本质是青蛙——它 100% 由青蛙的 DNA 组成,但是,它们却不是青蛙,而是机器人。

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迈克尔·莱文(Michael Levin)

迈克尔·莱文表示,“构建活体机器人,是人类破解‘形态学代码’的一小步。异种机器人为我们提供更深入了解生物整体组织方式的样本,帮助我们了解它们(青蛙细胞)是如何根据其(形态学代码领域)历史和环境来计算和存储信息的。”

美国科技网站 Wired 则形容该研究称:“(它们是)一种令人毛骨悚然的新型可编程生物”。

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如果说,过去五十年,机器人行业是从无到有的话,今天 PNAS 发表的这项研究则意味着:活体机器人不再是设想与科幻,它们将在未来成为现实。而且,在人类的指导下,未来活体机器人或许能在某种意义上,像真实的生物一样适应环境。

活体机器人背后的故事:“计算机+生物”完美跨界合作

如今你所看到的很多科学技术,都是在加工钢铁、混凝土、化学药品和塑料的基础上实现,而这些材料会随着时间的流逝而降解,也可能产生有害的生态和健康副作用。

合成材料的运用比生活材料更加广泛,因为前者更易于设计、制造和维护。死亡的细胞更易于重新设计以满足其他需求。比如说,书的原材料是木头,但你不能说一棵树就能制造成一本书。

因此,将自我更新和生物相容性材料、也就是类似活细胞的材料,运用到科学技术中,将是有用的和有效的。在这其中,生命系统本身是理想材料的候选者。

而这个“活体机器人“,就是生活材料应用的最佳实践者。研究人员从非洲爪蛙(Xenopus laevis)胚胎干细胞中分化,分成心脏细胞(收缩细胞)和表皮细胞(被动细胞)两部单个细胞,然后进行孵育。

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左边顶部绿色部分是被动细胞,而红、绿交替的部分便是主动细胞(图片来自:Inverse)

为了让活体机器人可以按照科学家指定的方式移动,研究团队在 UVM VVAC 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,为新的生命形式创建了数千个候选设计。为了完成科学家分配的任务(例如在一个方向上移动),计算机一遍又一遍地将数百个模拟细胞重新组装成无数种形态。

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左边就是进化算法所创建的候选设计,右边是模型与细胞的结合

而后再将非洲爪蛙单个表皮细胞和心肌细胞进行结合,并利用 Deep Green 设计出来的最佳模型,使用微小的镊子和均匀的电极,将细胞切割并在显微镜下连接成计算机指定设计的近似值,不断尝试与实验,创造出全球首个 “活体机器人”。

这是有史以来第一次“完全从头开始设计完全生物的机器”,100% 由青蛙细胞创造出的一种新生命体。

如果说,之前的机器人设计都是利用机械结构形成的话,这一新的研究,将细胞组装成自然界中从未见过的身体形态,进行协同工作。这将会是人类历史上一次惊人的研究发现。

除了算法以外,科研人员让分化出的心脏收缩细胞,在计算机的设计指导下,创造出有序的向前运动,使机器人得以继续前进。

在实验过程中,研究人员还发现了另外一个事实:这个“活体机器人”可以在水性介质中移动,并且可以转圈。

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后来的测试表明,这个不同于金属、塑料机器人的活体机器人是完全可生物降解的,也具有自我修复能力的。

本篇论文的作者也介绍说:“我们把机器人切成了两半,结果它不仅能把自己缝合起来,其后还能继续活动。”

有趣的是,如果你利用显微镜将斑点轻拍到其背面,将这个机器人翻转过来,它就像翻过的乌龟一样躺在那里,一动不动。

这一切形态,与人的表达无异,堪称是机器人领域的“异星觉醒“。

【责任编辑 慕容】

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