【文/觀察者網(wǎng)  程小康】2020年1月13日，全球頂級(jí)期刊《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）發(fā)表了一項(xiàng)新的重磅研究：美國科學(xué)家利用從青蛙胚胎中提取的活細(xì)胞，創(chuàng)造出第一個(gè)毫米級(jí)“活體可編程機(jī)器人”。

世界首個(gè)用細(xì)胞制作的活體機(jī)器人，已經(jīng)誕生。不用金屬、塑料打造，而是采用細(xì)胞重組，科幻電影《終結(jié)者2》中的T-1000反派角色似乎是迎面撲來。

截圖自《美國科學(xué)院院報(bào)》官網(wǎng)

100%的青蛙細(xì)胞組成的機(jī)器人

這項(xiàng)研究是由美國佛蒙特大學(xué)（University of Vermont，簡稱UVM）計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授約書亞·邦加（Josh Bongard）的團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)。論文一作是山姆·克里格曼（Sam Kriegman），佛蒙特大學(xué)博士研究生，致力于進(jìn)化機(jī)器人的研究。組裝機(jī)器人的工作，主要由塔夫茨大學(xué)（Tufts University）生物系教授邁克爾·萊文（Michael Levin）團(tuán)隊(duì)完成。

論文的通訊作者約書亞·邦加

簡單來說，這款“活體機(jī)器人”是由100%青蛙細(xì)胞所創(chuàng)造出的新生命個(gè)體——非金屬非機(jī)械結(jié)構(gòu)、非單細(xì)胞生物體，是一種新的活體可編程生物。

在進(jìn)化算法的幫助下，科學(xué)家用非洲爪蟾皮膚細(xì)胞和心臟細(xì)胞造出了一種新型“活體機(jī)器人”，并將其命名為xenobots（爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和機(jī)器人“robots”兩個(gè)詞的結(jié)合）。

這種機(jī)器人擁有兩個(gè)“短腿”，能依靠自主力量朝目標(biāo)移動(dòng)。最關(guān)鍵的一點(diǎn)，其自身被損壞或撕裂后，還能自行復(fù)制和修復(fù)。

為了能讓xenobots按照科學(xué)家制定的方式移動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)在UVM的Vermont Advanced Computing Core的Deep Green超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上進(jìn)行了數(shù)月的處理，并使用了一種進(jìn)化算法為xenobots創(chuàng)建了數(shù)千個(gè)候選設(shè)計(jì)。

通過計(jì)算機(jī)一遍又一遍的將數(shù)百個(gè)模擬細(xì)胞重新組裝成無數(shù)種無數(shù)種形式和體型，科學(xué)家確定了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

接下來，研究團(tuán)隊(duì)將測試從計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)中。先從爪蟾胚胎中提取了干細(xì)胞，然后使干細(xì)胞分化成能夠自然收縮的心臟細(xì)胞和無法收縮的皮膚細(xì)胞。利用細(xì)胞天生容易與其他細(xì)胞結(jié)合的特性，將這兩種成分結(jié)合在一起。

上方藍(lán)綠色方塊代表被動(dòng)細(xì)胞，下方時(shí)紅時(shí)綠方塊則代表主動(dòng)收縮細(xì)胞

在顯微鏡下，這些小小的“肉團(tuán)”似得機(jī)器人在液體中忙個(gè)不停。只要往其中滴入一些細(xì)胞碎屑，它們就會(huì)將碎屑聚攏成一堆。如果在某個(gè)“肉團(tuán)”的背上輕彈一下，它就會(huì)立即躺倒，像只四腳朝天的烏龜。

截圖自《美國科學(xué)院院報(bào)》官網(wǎng)

揭示細(xì)胞合作“謎團(tuán)”  《終結(jié)者2》中T-1000成為可能？

Xenobots四處移動(dòng)時(shí)，研究人員可以觀察其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和行為之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，包括細(xì)胞的排列方式和的整體形狀等。這些觀察到的信息交由計(jì)算機(jī)科學(xué)家處理，構(gòu)建虛擬模型，供數(shù)字版本的Xenobots在其中活動(dòng)。

研究團(tuán)隊(duì)再利用類似自然選擇過程的進(jìn)化算法，觀察Xenobots的結(jié)構(gòu)對(duì)它們的生存有何影響，什么結(jié)構(gòu)的Xenobots才是自然選擇中的“適者”。

細(xì)胞間的合作方式向來是“一大謎團(tuán)”，參與此次研究的塔夫茨大學(xué)發(fā)展生物物理學(xué)家邁克爾·萊文（Michael Levin）表示“我們最感興趣的是，細(xì)胞是如何通過合作、組成特定功能結(jié)構(gòu)的”。

一旦弄清了這一點(diǎn)，科學(xué)家也許還能進(jìn)一步發(fā)掘更多細(xì)胞的神秘潛能。目前的類人機(jī)器人通常由一系列笨重的零件構(gòu)成，最后組成一個(gè)可以四處移動(dòng)的機(jī)器人。但人體遠(yuǎn)比這種組合方式智能得多，細(xì)胞之間可以相互交流、構(gòu)成組織、器官和整個(gè)人體。