全球首個活體機器人誕生：100%青蛙基因，遭破壞時可自癒

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