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科学家研发出首个活体机器人!

时间: 2020年01月20日 | 作者: 杨心舟 | 来源: 企鹅科学
最新发表在《美国科学院院刊》的一项研究就展示了首个由爪蟾细胞制成的活细胞机器人,这种全新的机器人被称作“Xenobots”。

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图片展示的是结合了计算机和活细胞技术的“活体机器人”。


说到机器人,我们可能会立即想到由钢铁铸成的机械体,配备着电缆和高科技的操控平台,这些机器人往往是冷冰冰的坚硬金属。但是,如果告诉你,用活细胞做成的机器人不仅软绵绵的像细胞团一样具有弹性,而且还能够运动,你能够想象吗?


最新发表在《美国科学院院刊》的一项研究就展示了首个由爪蟾细胞制成的活细胞机器人,这种全新的机器人被称作“Xenobots”。尽管其外表看起来只是一小团细胞,但Xenobots能够朝着特定的方向移动,并且被切开后,还能自行复原,具有强大的延展性和可塑性。研究人员把这种由活细胞构成的机器称作定制生命系统(Bespoke Living system),相比于合成材料铸成的机器,活体生命系统在结构和功能上拥有更强的可塑性。



最初的尝试


在Xenobot之前,已经有一些方法用于设计和构建生命系统,比如对于单细胞形成的组织团块,虽然研究人员可以通过重构单细胞的基因组,改变它的特性,但很难控制这团组织的形状和行为。而人工合成的类器官虽然能够模拟真实器官的结构,但我们却不能够控制类器官的运动。研究人员还能通过3D打印制作生物结构,在这种情况下,可以控制结构的外形,但却无法预测这些结构能做出何种行为。


正是基于上述不完美的尝试,美国索尔克生物学研究所的研究人员想到,既然预测不了生命系统的外表和行为,那能否让这些细胞自己学习该怎么做呢?为此,他们设计了一种演化算法,然后把非洲爪蟾的皮肤细胞和心肌细胞作为基础模块,输入计算机模型中。



用算法设计细胞机器人


在演化算法的帮助下,计算机模型开始自己学习如何组装非洲爪蟾的细胞,并且会实时反馈细胞是如何组合的。在这一过程中,研究人员会向计算机模型输入一些要求,比如希望搭建的“细胞机器”能够向一个方向移动,或者带有孔洞来嵌入外部分子。而计算机模型收到指令后,就会开始利用算法自己探索搭建条件。


计算机模型在运行算法时,会充分考虑两种非洲爪蟾的细胞的功能,然后再把两种细胞按不同比例组合起来,比如,把心脏细胞放在皮肤细胞下面,这样组成的“细胞机器”也许就能动起来。经过多轮尝试,一些明显会失败的细胞组合会被计算机剔除,而能动起来的组合就会被留下来,供研究人员用于后续测试和筛选。


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论文主要作者之一JoshuaBongard教授


由于这种会自己动的细胞团块既不是机械装置,也显然不是动物,因此研究人员给这种活体机器人制定了一个全新的分类:“有生命的,并且可以编程的生命体”。而在数个月的模拟中,计算机模型生成了成百上千个可能变成活体机器人的细胞组合,研究人员后续要做的就是,用真实的细胞把活体机器人制作出来,然后测试它们是否能像在计算机模型中一样可以运动,也可以控制。



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在这幅图中,研究者展示了计算机构建出的活体机器人模型,其中红色块代表着青蛙的心脏细胞,而蓝色代表着皮肤细胞。将这些模块挑出来后,就能用细胞拼凑出实际的模型,比如右侧就展示了根据模型构筑的青蛙细胞团块。



自发运动,自我修复


负责计算机模拟的同事将优化后的模拟结果转交给负责细胞实验的同事后,非洲爪蟾的胚胎就派上了用场。塔夫茨大学的研究人员把爪蟾的胚胎干细胞提取出来,然后制备成单个的干细胞。


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研究人员会继续培养干细胞,然后诱导它们分化,最后变成活体机器人的关键组成单元——皮肤细胞和心肌细胞。两种细胞按什么比例混合,组合成什么形式,都是按照计算机模型给出的结果来执行的。皮肤细胞更像是结构的支撑单元,负责稳定整个活体机器人的结构;而心肌细胞则负责提供动力,它们会根据细胞的组合形式来调控运动的方向,并决定前进还是后退。


如果某一种细胞团块能够运动,也可以控制,那么这个细胞组合就会被保留下来,研究人员也会重新将这个组合的相关数据输入计算机模型进行优化。而那些不能按照研究人员要求运作的细胞团块则会被放弃。


最终,研究人员根据计算机模拟的结果,制造出了能够运动,而不需要额外能量和动力的活体机器人。在研究人员提供的水环境中,活体机器人能够运动数天到数周,它们的能量完全来自细胞本身。而一旦能量用完,这些活体机器人就成为了一团死细胞,可以被降解。


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活体机器人的自我移动轨迹


尽管没有大脑和神经系统控制,这些活体机器人都会以令人惊讶的方式运动。它们会不断改变自己的运动轨迹,并且不同的活体机器人有着不同的移动方式。最神奇的是,即使研究人员用刀将一个活体机器人切开,它也能立即自我修复,重现了科幻电影《终结者》里那些机器人受伤后自愈的表现。



超越机械机器人


这项研究展示了多个活体机器人模型,有一些甚至能够自发地转圈,几个活体机器人甚至会自发聚集到一起,推动药丸往前走。还有一些活体机器人的中间带一个小孔,在这个小孔中,研究人员可以添加药物或者其他分子,让活体机器人带着药物或分子往前走。“这相当于是一种用电脑设计出来的活体的药物传递系统,”研究主要参与者、美国佛蒙特大学计算机科学和复杂系统中心的Joshua Bongard教授表示。


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随着活体机器人的出现,许多领域的技术将可能迎来变革,比如让活体机器人带着药物定向地向病灶传递药物,又或者在污染水体中搜寻化学物质,在海洋中收集微塑料颗粒。并且,这种机器人的出现也给传统的生物学家抛出了一个关键问题:在活体机器人中,细胞究竟是怎么进行交流的?


在活体机器人中,细胞受损了会自我修复,精密度堪比科幻电影;而同类型的活体机器人碰到一起后会聚集成团块,共同协作。细胞之间是如何进行如此完美地交流,这正是研究人员下一步想要破解的。“活体机器人已经出现了,现在最重要的是,我们怎样能控制它,”论文的主要作者Michael Levin表示。


在研究人员眼里,活体机器人百分之百都是蛙类的DNA,但是它又不是青蛙。现在这些爪蟾的细胞已经成为了组建“新物种”的模块,你很难想象它们能有多少种组建方式。“它们有着现代钢铁机器人做不到的本领,”Levin说。