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

全球首次，實(shí)屬罕見(jiàn)！

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

你沒(méi)看錯(cuò)，世界上第一個(gè)「活體機(jī)器人」正在繁衍...

當(dāng)這些酷似「吃豆人」的機(jī)器人「父母」在環(huán)境中移動(dòng)時(shí)，它們會(huì)在「嘴巴」中收集數(shù)百個(gè)干細(xì)胞。

隨著時(shí)間的推移，這些干細(xì)胞會(huì)聚集在一起，形成機(jī)器人寶寶，發(fā)育成熟之后，看起來(lái)就像它們的父母一樣。

這是由來(lái)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(lái)第一個(gè)「自我復(fù)制」的活體機(jī)器人。

目前，這項(xiàng)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(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)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(jiàn)過(guò)的?！?/p>

全球首次！活體機(jī)器人「生娃」

本來(lái)，非洲爪蟾蛙的這些胚胎細(xì)胞會(huì)發(fā)育成皮膚。但它會(huì)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(xì)胞置于一個(gè)新的環(huán)境下，讓其有機(jī)會(huì)重新利用這個(gè)「多細(xì)胞性」。

這次，這些胚胎細(xì)胞要發(fā)育的目標(biāo)和皮膚大不相同。

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

最初，由大約 3000 個(gè)細(xì)胞組成的爪蟾機(jī)器人（Xenobot）親本形成了一個(gè)球體。大約 3 天后，球體外表面上會(huì)形成纖毛。

當(dāng)產(chǎn)生的成熟細(xì)胞群處于培養(yǎng)皿中約 60000 個(gè)分離的干細(xì)胞中時(shí)，它們的集體運(yùn)動(dòng)將一些細(xì)胞推到一堆。

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

不過(guò)，這個(gè)復(fù)制過(guò)程最多持續(xù)兩輪。是否會(huì)停止取決于適合青蛙胚胎發(fā)育的溫度范圍、解離細(xì)胞的濃度、成熟生物的數(shù)量和隨機(jī)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(shí)，就像研究論文作者之一Sam Kriegman 博士所說(shuō)：「這些機(jī)器人可以生孩子，但之后這個(gè)復(fù)制系統(tǒng)很快就會(huì)消亡。要讓系統(tǒng)繼續(xù)復(fù)制非常困難」。

看來(lái)，球體結(jié)構(gòu)不利于機(jī)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(chǎng)的好時(shí)候。

通過(guò) Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上運(yùn)行的AI程序，進(jìn)化算法在模擬中對(duì)數(shù)十億種形狀進(jìn)行了測(cè)試——三角形、正方形、金字塔、海星形——讓細(xì)胞在復(fù)制中的效率更高。

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

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

爪蟾機(jī)器人（Xenobot）能夠在培養(yǎng)皿中找到微小的干細(xì)胞并將數(shù)百個(gè)干細(xì)胞聚集在「嘴」(指C型的缺口) 里，幾天后這組干細(xì)胞就會(huì)裂變成新的爪蟾機(jī)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(guò)幾個(gè)月努力，AI想出了一些奇怪的設(shè)計(jì)，包括一個(gè)類(lèi)似于「吃豆人」的形狀。這種設(shè)計(jì)相當(dāng)違反直覺(jué)，它看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但人類(lèi)工程師想不出來(lái)?！筍am Kriegman說(shuō)。

比如，為什么是一張嘴？為什么不是5張嘴？不過(guò)，形狀雖然看起來(lái)有點(diǎn)奇怪，但效果很好。經(jīng)測(cè)試，這個(gè)「吃豆人」形狀大大延長(zhǎng)了Xenobot 機(jī)器人復(fù)制系統(tǒng)的壽命。

實(shí)驗(yàn)表明，在經(jīng)歷AI算法篩選出的「吃豆人」形狀下，機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)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(gè)細(xì)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(gè)未知的空間。我們?nèi)绾稳ヌ剿髂莻€(gè)空間？我們發(fā)現(xiàn)了會(huì)走路的機(jī)器人；我們發(fā)現(xiàn)了會(huì)游泳的機(jī)器人?，F(xiàn)在，我們又發(fā)現(xiàn)了可以運(yùn)動(dòng)、可以自我復(fù)制的異形機(jī)器人。未來(lái)還會(huì)有什么發(fā)現(xiàn)呢?」

誠(chéng)如研究人員所說(shuō)，「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)?！?/p>

回顧：可編程「活體機(jī)器人」的誕生

大多數(shù)人都會(huì)認(rèn)為機(jī)器人是由金屬和陶瓷制成的，不過(guò)爪蟾機(jī)器人同時(shí)也是由青蛙細(xì)胞制造的有機(jī)體。

2020年，還是這群美國(guó)科學(xué)家，首次利用從青蛙胚胎中提取的活細(xì)胞，創(chuàng)造出第一個(gè)有生命的機(jī)器。

這些毫米級(jí)的「活體機(jī)器人」（xenobots）可以朝目標(biāo)移動(dòng)，也可以攜帶一個(gè)有效載荷（例如需要運(yùn)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(jí)計(jì)算機(jī)集群上進(jìn)行了數(shù)月的處理之后，該團(tuán)隊(duì)（包括主要作者和博士生Sam Kriegman）使用了一種進(jìn)化算法，為新的生命形式創(chuàng)建了數(shù)千個(gè)候選設(shè)計(jì)。

為了完成科學(xué)家們布置的任務(wù)，比如朝一個(gè)方向移動(dòng)，計(jì)算機(jī)會(huì)一遍又一遍地將幾百個(gè)模擬細(xì)胞重組成各種形狀和體型。

從隨機(jī)構(gòu)造開(kāi)始

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

接著，使用微型鑷子和一個(gè)更小的電極，將細(xì)胞切割并在顯微鏡下連接到計(jì)算機(jī)所指定的設(shè)計(jì)中。

這些細(xì)胞組裝成自然界中從未見(jiàn)過(guò)的身體形態(tài)，開(kāi)始協(xié)同工作。

皮膚細(xì)胞形成了一個(gè)更被動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而心肌細(xì)胞曾經(jīng)的隨機(jī)收縮被用于創(chuàng)造有序的向前運(yùn)動(dòng)，這是在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，并借助于自發(fā)的自組織模式，使機(jī)器人能夠自行移動(dòng)。

機(jī)器人自行移動(dòng)

此外，在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家就將活體機(jī)器人切開(kāi)兩半，觀察究竟會(huì)發(fā)生什么。

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

切開(kāi)后可自愈

論文合著者Levin表示，這些青蛙細(xì)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(jī)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(jì)算和存儲(chǔ)信息的方式邁出了一大步。

機(jī)器人「生娃」，恐懼？興奮？

美國(guó)科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了讓活體機(jī)器人繁育，有些人可能會(huì)覺(jué)得這令人振奮。

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

團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是加快人們從認(rèn)識(shí)問(wèn)題到給出解決方案的轉(zhuǎn)變速度，比如利用活體機(jī)器人把塑料微粒從下水道中拉出來(lái)，或者制造新的藥物。

研究團(tuán)隊(duì)看到了活體機(jī)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(xì)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(wèn)題的存在是因?yàn)槲覀儾恢纻儾恢廊绾晤A(yù)測(cè)和控制細(xì)胞群的構(gòu)建?！?/p>

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

「人類(lèi)覆滅將至，感謝天網(wǎng)」。

Xenobot：我會(huì)轉(zhuǎn)圈、會(huì)繁殖。

人類(lèi)：它們會(huì)殺了我們。

俗話說(shuō)得好，「今天轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)圈，明天 T1000」。

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

劇情演變到最后，機(jī)器人母親懷孕，生出了一個(gè)像蛇又像鰻魚(yú)的奇怪物種。

看來(lái)，機(jī)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(diǎn)，還是害怕多一點(diǎn)？

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(lái)自微信公眾號(hào)“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。

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