全球首個活體機器人誕生:100%青蛙基因,遭破壞時可自癒

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你能想像機器人有生命嗎?

北京時間2020年1月14日凌晨,全球頂級期刊《美國科學院院報》(PNAS)發表了一項最新重磅研究:美國科學家利用從青蛙胚胎中提取的活細胞,創造出了第一個毫米級「活體可編程機器人」(以下稱為「活體機器人」,英文為Xenobots)。

簡單來說,「活體機器人」是一種由100%青蛙細胞所創造出的新生命個體——非金屬非機械結構、非單細胞生物體,是一種新的活體可編程生物。

該「機器人」擁有兩個「短腿」,並能依靠自主力量朝目標移動。最為關鍵的一點,由於它們是「活體機器人」,即便被損壞或撕裂,也能自行複製和修復。

本項研究由佛蒙特大學(UVM)計算機科學系教授約書亞.邦加(Joshua Bongard)的團隊主導,在UVM的超級計算機上設計,然後再由美國塔夫茨大學的生物學家組裝和測試,是一次跨「計算機+生物」領域的完美合作。

約書亞.邦加(Joshua Bongard)

本篇論文的共同作者,塔夫茨大學再生與發育生物學中心的負責人邁克爾.萊文(Michael Levin)認為,從基因組織上來看,Xenobots活體機器人的本質是青蛙——它100%由青蛙的DNA組成,但是,它們卻不是青蛙,而是機器人。

邁克爾.萊文(Michael Levin)

邁克爾.萊文表示,「構建活體機器人,是人類破解『形態學代碼』的一小步。異種機器人為我們提供更深入瞭解生物整體組織方式的樣本,幫助我們瞭解它們(青蛙細胞)是如何根據其(形態學代碼領域)歷史和環境來計算和存儲信息的。」

美國科技網站Wired則形容該研究稱:「(它們是)一種令人毛骨悚然的新型可編程生物」。

如果說,過去五十年,機器人行業是從無到有的話,今天PNAS發表的這項研究則意味著:活體機器人不再是設想與科幻,它們將在未來成為現實。而且,在人類的指導下,未來活體機器人或許能在某種意義上,像真實的生物一樣適應環境。

活體機器人背後的故事:「計算機+生物」完美跨界合作

如今你所看到的很多科學技術,都是在加工鋼鐵、混凝土、化學藥品和塑料的基礎上實現,而這些材料會隨著時間的流逝而降解,也可能產生有害的生態和健康副作用。

合成材料的運用比生活材料更加廣泛,因為前者更易於設計、製造和維護。死亡的細胞更易於重新設計以滿足其他需求。比如說,書的原材料是木頭,但你不能說一棵樹就能製造成一本書。

因此,將自我更新和生物相容性材料、也就是類似活細胞的材料,運用到科學技術中,將是有用的和有效的。在這其中,生命系統本身是理想材料的候選者。

而這個「活體機器人「,就是生活材料應用的最佳實踐者。研究人員從非洲爪蛙(Xenopus laevis)胚胎幹細胞中分化,分成心臟細胞(收縮細胞)和表皮細胞(被動細胞)兩部單個細胞,然後進行孵育。

左邊頂部綠色部分是被動細胞,而紅、綠交替的部分便是主動細胞(圖片來自:Inverse)

為了讓活體機器人可以按照科學家指定的方式移動,研究團隊在UVM VVAC的Deep Green超級計算機集群上進行了數月的處理,並使用了一種進化演算法,為新的生命形式創建了數千個候選設計。為了完成科學家分配的任務(例如在一個方向上移動),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態。

邊就是進化演算法所創建的候選設計,右邊是模型與細胞的結合

而後再將非洲爪蛙單個表皮細胞和心肌細胞進行結合,並利用Deep Green設計出來的最佳模型,使用微小的鑷子和均勻的電極,將細胞切割並在顯微鏡下連接成計算機指定設計的近似值,不斷嘗試與實驗,創造出全球首個「活體機器人」。

這是有史以來第一次「完全從頭開始設計完全生物的機器」,100%由青蛙細胞創造出的一種新生命體。

如果說,之前的機器人設計都是利用機械結構形成的話,這一新的研究,將細胞組裝成自然界中從未見過的身體形態,進行協同工作。這將會是人類歷史上一次驚人的研究發現。

除了演算法以外,科研人員讓分化出的心臟收縮細胞,在計算機的設計指導下,創造出有序的向前運動,使機器人得以繼續前進。

在實驗過程中,研究人員還發現了另外一個事實:這個「活體機器人」可以在水性介質中移動,並且可以轉圈。

後來的測試表明,這個不同於金屬、塑料機器人的活體機器人是完全可生物降解的,也具有自我修復能力的。

本篇論文的作者也介紹說:「我們把機器人切成了兩半,結果它不僅能把自己縫合起來,其後還能繼續活動。」

有趣的是,如果你利用顯微鏡將斑點輕拍到其背面,將這個機器人翻轉過來,它就像翻過的烏龜一樣躺在那裡,一動不動。

這一切形態,與人的表達無異,堪稱是機器人領域的「異星覺醒」。

未知世界的倫理衝擊

雖然上文短短几百字將「活體機器人「這項技術解釋出來,但事實上,這項研究需要很多技術難點需要克服,也有很大的未知風險。

許多人擔心,快速的技術變革和複雜的生物操作,會帶來不良的影響。在該論文發表之後,有國外的網友評論稱,「請不要把它(活體機器人)植入到體內」,「很容易造成替代和暗殺」等等。

請輸入圖說

該篇論文共同作者山姆.克里格曼(Sam Kriegman)認為,類似的「活體機器人」未來變體將很有可能具備神經系統和認知能力。針對上文所提到的道德問題,他也認為,在發現這類機器人後,政策制定者也能針對性地定制最佳行動方案,「每個人都應該做各種不同的事情,(我們)只是在探索,而(其他人)需要考慮其行為的倫理後果和影響。」

斯坦福大學法學教授,生物醫學倫理學研究中心指導委員會主席漢克.格裡利(Hank Greely)同意該說法,並表示,儘管當前的研究遠沒有創造出類似人類的東西,但他們仍應牢記這樣的倫理學問題,也需要全社會來關注並且優化倫理方案。

其他研究者們認為,活體機器人的特性則展示了其未來無限的可能性。它們可以被用來清理海洋中的微塑料污染,定位和消化有毒物質,或者進入人體血管,精準輸送藥物、清除動脈壁上的斑塊等,這些都是活體機器人的落地範圍。

麻省理工學院(MIT)計算機科學和人工智慧實驗室(CSAIL)主任Daniela Rus也曾指出,技術帶來的負面影響,其實跟AI技術的關係並不大,而是與人類的控制有關。

不管討論如何,這並不妨礙我們對活體機器人的關注,以及對未來科幻希望現實落地的想法。

 

論文地址:https://www.pnas.org/content/early/2020/01/07/1910837117

進化演算法代碼開源地址:https://github.com/skriegman/reconfigurable_organisms

https://cdorgs.github.io/

參考來源:https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/uov-tbt010820.php

 

來源:鈦媒體

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