活體機器人「生娃」？全球首次，實屬罕見！2020年1月，美國科學(xué)家利用從青蛙胚胎中提取的活細胞，創(chuàng)造出全球首個活體機器人Xenobot。現(xiàn)在，這個活體機器人可以像「吃豆人」一樣繁殖。

全球首次，實屬罕見！

在生孩子這件事兒上，美國科學(xué)家創(chuàng)造了奇跡：讓機器人「生娃」。

你沒看錯，世界上第一個「活體機器人」正在繁衍...

當這些酷似「吃豆人」的機器人「父母」在環(huán)境中移動時，它們會在「嘴巴」中收集數(shù)百個干細胞。

隨著時間的推移，這些干細胞會聚集在一起，形成機器人寶寶，發(fā)育成熟之后，看起來就像它們的父母一樣。

這是由來自佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)以及哈佛大學(xué) Wyss研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的一種全新生物繁殖形式，并創(chuàng)造了有史以來第一個「自我復(fù)制」的活體機器人。

目前，這項研究已于10月22日發(fā)表在 PNAS上。

論文地址：

https://www.pnas.org/content/pnas/118/49/e2112672118.full.pdf

該研究的合著者、塔夫茨大學(xué)的資深科學(xué)家 Douglas Blackiston 表示，「長期以來，人們一直認為我們已經(jīng)找到了生命可以繁殖或復(fù)制的所有方式。但這次我們的發(fā)現(xiàn)是之前從未見過的。」

全球首次！活體機器人「生娃」

本來，非洲爪蟾蛙的這些胚胎細胞會發(fā)育成皮膚。但它會擋在蝌蚪的外面，阻擋病原體并重新分配粘液。

研究人員這次將這些胚胎細胞置于一個新的環(huán)境下，讓其有機會重新利用這個「多細胞性」。

這次，這些胚胎細胞要發(fā)育的目標和皮膚大不相同。

「這些青蛙細胞的復(fù)制方式與以往大不相同?？茖W(xué)上已知的任何動植物都不會以這種方式復(fù)制」，這項新研究的主要作者 Sam Kriegman 博士說。

最初，由大約 3000 個細胞組成的爪蟾機器人（Xenobot）親本形成了一個球體。大約 3 天后，球體外表面上會形成纖毛。

當產(chǎn)生的成熟細胞群處于培養(yǎng)皿中約 60000 個分離的干細胞中時，它們的集體運動將一些細胞推到一堆。

如果這個「堆」足夠大，這些細胞群就能發(fā)育成會游泳、帶纖毛的后代。如果分離干細胞更多，則會產(chǎn)生更多的后代。

不過，這個復(fù)制過程最多持續(xù)兩輪。是否會停止取決于適合青蛙胚胎發(fā)育的溫度范圍、解離細胞的濃度、成熟生物的數(shù)量和隨機行為、溶液的粘度、培養(yǎng)皿的幾何形狀表面，以及污染的可能性。

確實，就像研究論文作者之一Sam Kriegman 博士所說：「這些機器人可以生孩子，但之后這個復(fù)制系統(tǒng)很快就會消亡。要讓系統(tǒng)繼續(xù)復(fù)制非常困難」。

看來，球體結(jié)構(gòu)不利于機器人的生殖系統(tǒng)的復(fù)制，怎么辦？試試別的形狀！

這正是AI入場的好時候。

通過 Deep Green 超級計算機集群上運行的AI程序，進化算法在模擬中對數(shù)十億種形狀進行了測試——三角形、正方形、金字塔、海星形——讓細胞在復(fù)制中的效率更高。

研究人員使用一種進化算法，從隨機群開始，進化出具有增加自我復(fù)制能力的細胞群。（ FG = 給定群體實現(xiàn)的子代數(shù)。小數(shù)部分表示群體距離實現(xiàn)另一輪復(fù)制的距離。）

這個進化試驗中最成功的世系起源于一個球體，它構(gòu)建的樁不超過 74% 自我復(fù)制所需的大小閾值。

爪蟾機器人（Xenobot）能夠在培養(yǎng)皿中找到微小的干細胞并將數(shù)百個干細胞聚集在「嘴」(指C型的缺口) 里，幾天后這組干細胞就會裂變成新的爪蟾機器人。

「我們利用超算弄清楚了如何調(diào)整最初父母親本的形狀。經(jīng)過幾個月努力，AI想出了一些奇怪的設(shè)計，包括一個類似于「吃豆人」的形狀。這種設(shè)計相當違反直覺，它看起來很簡單，但人類工程師想不出來?！筍am Kriegman說。

比如，為什么是一張嘴？為什么不是5張嘴？不過，形狀雖然看起來有點奇怪，但效果很好。經(jīng)測試，這個「吃豆人」形狀大大延長了Xenobot 機器人復(fù)制系統(tǒng)的壽命。

實驗表明，在經(jīng)歷AI算法篩選出的「吃豆人」形狀下，機器人的自我復(fù)制系統(tǒng)壽命，由最多2代增加到了4代。

現(xiàn)在，這些機器人的兒子能生孫子，孫子又生了曾孫，繁殖還在繼續(xù)......

眾所周知，運動學(xué)復(fù)制在分子水平上是眾所周知的，但以前從未在整個細胞或生物體的尺度上觀察到。

Douglas表示，「我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在生命系統(tǒng)中存在著一個未知的空間。我們?nèi)绾稳ヌ剿髂莻€空間？我們發(fā)現(xiàn)了會走路的機器人；我們發(fā)現(xiàn)了會游泳的機器人?，F(xiàn)在，我們又發(fā)現(xiàn)了可以運動、可以自我復(fù)制的異形機器人。未來還會有什么發(fā)現(xiàn)呢?」

誠如研究人員所說，「在生命的表面之下，還隱藏著更多令人驚訝的行為，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。」

回顧：可編程「活體機器人」的誕生

大多數(shù)人都會認為機器人是由金屬和陶瓷制成的，不過爪蟾機器人同時也是由青蛙細胞制造的有機體。

2020年，還是這群美國科學(xué)家，首次利用從青蛙胚胎中提取的活細胞，創(chuàng)造出第一個有生命的機器。

這些毫米級的「活體機器人」（xenobots）可以朝目標移動，也可以攜帶一個有效載荷（例如需要運送到患者體內(nèi)特定位置的藥物），還能在切割后自行愈合。

在UVM的超級計算機集群上進行了數(shù)月的處理之后，該團隊（包括主要作者和博士生Sam Kriegman）使用了一種進化算法，為新的生命形式創(chuàng)建了數(shù)千個候選設(shè)計。

為了完成科學(xué)家們布置的任務(wù)，比如朝一個方向移動，計算機會一遍又一遍地將幾百個模擬細胞重組成各種形狀和體型。

從隨機構(gòu)造開始

首先，他們采集非洲爪蟾（學(xué)名「Xenopus laevis」）胚胎中的干細胞，并將它們分離成單個細胞，然后進行孵化。

接著，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(shè)計中。

這些細胞組裝成自然界中從未見過的身體形態(tài)，開始協(xié)同工作。

皮膚細胞形成了一個更被動的結(jié)構(gòu)，而心肌細胞曾經(jīng)的隨機收縮被用于創(chuàng)造有序的向前運動，這是在計算機設(shè)計的指導(dǎo)下，并借助于自發(fā)的自組織模式，使機器人能夠自行移動。

機器人自行移動

此外，在實驗中，科學(xué)家就將活體機器人切開兩半，觀察究竟會發(fā)生什么。

Bongard表示，「我們發(fā)現(xiàn)，它會把自己重新縫合起來，然后繼續(xù)前進。這是一般機器無法做到的?！?/p>

切開后可自愈

論文合著者Levin表示，這些青蛙細胞可以被打造成有趣的新的生物形式，與它們的原有解剖結(jié)構(gòu)完全不同。

構(gòu)建活體活體機器人，是邁向破解所謂「形態(tài)學(xué)代碼」的一小步，更是向著更深入了解生物的整體組織方式，及其計算和存儲信息的方式邁出了一大步。

機器人「生娃」，恐懼？興奮？

美國科學(xué)家首次實現(xiàn)了讓活體機器人繁育，有些人可能會覺得這令人振奮。

Bongard表示，「我們正在努力理解這個屬性: 復(fù)制。世界和技術(shù)正在迅速變化，對于整個社會而言，我們研究并理解這種現(xiàn)象是如何發(fā)生的，這一點非常重要?！?/p>

團隊的目標是加快人們從認識問題到給出解決方案的轉(zhuǎn)變速度，比如利用活體機器人把塑料微粒從下水道中拉出來，或者制造新的藥物。

研究團隊看到了活體機器人朝著再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前景。

Levin解釋道，「如果我們知道如何告訴細胞集合做我們想讓它們做的事情，最終，那就是再生醫(yī)學(xué)，比如創(chuàng)傷性損傷、出生缺陷、癌癥和衰老的解決方案。這些問題的存在是因為我們不知道們不知道如何預(yù)測和控制細胞群的構(gòu)建?！?/p>

然而，有些人可能會對可自我復(fù)制的生物技術(shù)的概念感到擔憂，甚至感到恐懼，比如一些網(wǎng)友。

「人類覆滅將至，感謝天網(wǎng)」。

Xenobot：我會轉(zhuǎn)圈、會繁殖。

人類：它們會殺了我們。

俗話說得好，「今天轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)圈，明天 T1000」。

不知你是否看過《異星災(zāi)變》（Raised by Wolves）這部科幻美劇，一個Mother，一個Father ，這2個機器人授命在一個神秘星球撫育人類后代，

劇情演變到最后，機器人母親懷孕，生出了一個像蛇又像鰻魚的奇怪物種。

看來，機器人生娃這件事還真是不敢恭維...不知各位網(wǎng)友，是期待多一點，還是害怕多一點？

參考資料：

https://wyss.harvard.edu/news/team-builds-first-living-robots-that-can-reproduce/

https://thenextweb.com/news/living-robots-can-now-reproduce-xenobots-self-replicate

https://arstechnica.com/science/2021/11/mobile-clusters-of-cells-can-help-assemble-a-mini-version-of-themselves/

https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html

https://www.youtube.com/watch?v=aBYtBXaxsOw

https://www.youtube.com/watch?v=zuo2DP72vKQ

本文來自微信公眾號“新智元”（ID:AI_era），作者：新智元，編輯：桃子、David，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 活體 不死 首個