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北京時代方略

再生醫(yī)學(xué)新突破！全球首個可自我繁殖的活體機器人問世

在我們眼中，機器人從來都是由金屬材料制成，這些材料可以讓機器人既強壯又靈活。而現(xiàn)在，一種新型異種機器人已經(jīng)誕生，來自美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)出了有史以來第一款可自我繁衍的活體機器人，它完全打破了人們對于機器人的固有印象，并且有望在未來為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個性化的藥物治療。這項研究成果以“Kinematic self-replication in reconfigurable organisms”為題發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》上。

來源： 生物探索　作者： 陳璐茜　

 

在我們眼中，機器人從來都是由金屬材料制成，這些材料可以讓機器人既強壯又靈活。而現(xiàn)在，一種新型異種機器人已經(jīng)誕生，來自美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)出了有史以來第一款可自我繁衍的活體機器人，它完全打破了人們對于機器人的固有印象，并且有望在未來為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個性化的藥物治療。這項研究成果以“Kinematic self-replication in reconfigurable organisms”為題發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》上。

 

 

文獻(xiàn)DOI： https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118

這款活體機器人名為Xenobot，在去年就有了初代設(shè)計，科學(xué)家們利用從青蛙胚胎中提取的活細(xì)胞，將它們組裝成全新的生命形式。根據(jù)當(dāng)時的介紹，這款機器人可以被看作是一種活的、可編程有機體，主要是為了幫助解決化合物或放射性污染、海洋微塑料污染等生態(tài)環(huán)境問題。而今年的最新研究，則有了新的突破，Xenobot可自我復(fù)制，同時移速更快，壽命更長，能更好地適應(yīng)各種環(huán)境。

在此項研究中，科學(xué)家們從非洲爪蟾胚胎中提取活干細(xì)胞，讓它們孵化成心臟細(xì)胞和表皮細(xì)胞，單獨培養(yǎng)后再將兩種細(xì)胞拼湊在一起，形成由大約3000個細(xì)胞組成的母體異形機器人，此時的機器人還只是一個球體，能夠進(jìn)行螺旋移動，而將干細(xì)胞放在機器人四周時，它能夠聚集更多干細(xì)胞成為子代，這樣的繁衍能夠持續(xù)1-2代。不過，雖然母體異型機器人能夠進(jìn)行繁衍，但是不能進(jìn)行“系統(tǒng)性繁殖”，為了解決這一問題，科學(xué)家們采用了智能AI。

研究人員在佛蒙特州高級計算核心的Deep Green超級計算機集群上運行的人工智能程序，對活體機器人的形態(tài)進(jìn)行算法構(gòu)建，進(jìn)化算法能夠在模擬中測試數(shù)十億種形態(tài)，如三角形、正方形、金字塔形狀、海星形狀等，旨在找到可以讓細(xì)胞運動學(xué)自我復(fù)制更有效的形狀。

 

 

圖注：Deep Green對活體機器人進(jìn)行的多種模型構(gòu)建

經(jīng)過模擬測試后，一種類似吃豆人形態(tài)的活體機器人誕生了，當(dāng)將它們放入滿是干細(xì)胞的培養(yǎng)皿中，這些機器人可以隨意游動，將數(shù)百個干細(xì)胞聚集在一起，然后在它們C字型的“嘴”里組裝新的子代異形機器人。在經(jīng)過幾天的培養(yǎng)后，這些新的子代異形機器人已經(jīng)可以繁衍更多的小機器人，而這些“吃豆人”活體機器人最多能繁衍4代，同時，其產(chǎn)生的“后代”直徑也比球形Xenobot的后代大50%左右。

 

 

圖注：Xenobot的運動軌跡，與初代設(shè)計的形態(tài)對比，以及與初代設(shè)計的自我復(fù)制能力對比

針對這一研究，團(tuán)隊成員Michael Levin教授提到，這項研究讓人們看到了再生醫(yī)學(xué)進(jìn)步的希望。“如果我們知道如何告訴細(xì)胞群做我們想讓它們做的事情，這將為外傷、先天缺陷、癌癥和衰老等疾病的治療提供更佳解決方案，目前的問題在于，我們要學(xué)會如何預(yù)測和控制將要構(gòu)建的細(xì)胞群，而Xenobots 將成為一個新的研究教學(xué)平臺。”

科學(xué)家們希望，這一新型活體機器人能夠成為智能藥物輸送或內(nèi)外科手術(shù)的新型載體。在生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中，這種生物機器人如果由患者自己的細(xì)胞制成，或許能夠從動脈壁去除斑塊，識別癌癥，甚至安頓下來以區(qū)分或控制疾病位置。這種結(jié)構(gòu)的一個有益安全特征是，在沒有特定代謝工程的情況下，它們的壽命自然有限，可以自行被代謝掉。

面對這一研究成果，有些人會覺得令人振奮，也有一部分人對自我復(fù)制生物技術(shù)的概念感到擔(dān)憂，甚至恐懼，害怕這些活體機器人會在不受控制的情況下引發(fā)災(zāi)難。對于這一質(zhì)疑，團(tuán)隊成員Joshua Bongard教授給予了解釋：“我們正在努力了解細(xì)胞自我復(fù)制這個特性，對于整個社會來說，研究和了解它是如何運作的顯得尤為重要。這些毫米大小的活體機器人受控于實驗室條件，很容易被銷毀，并且會由聯(lián)邦、州立機構(gòu)的倫理專家進(jìn)行監(jiān)督審查，我們也有道德義務(wù)去了解和研究控制它、引導(dǎo)它、消滅它的條件。”

雖然會有擔(dān)憂與風(fēng)險，我們也不能完全忽視這一研究包含的兩項重要成果，首先，智能AI在此次研究中功不可沒，人工智能可以通過多種隨機組合來探究最適合的模型，以幫助人類在短時間內(nèi)找到最佳問題解決方案；其次，此次的研究打破了人們對于生命繁衍的固有認(rèn)知，細(xì)胞通過分裂進(jìn)行復(fù)制是公認(rèn)的繁衍方式，但是此次干細(xì)胞的自我復(fù)制是科學(xué)家們首次觀察到的一種新的繁衍方式，正如科學(xué)家們在《美國國家科學(xué)院院刊》研究中所寫的那樣：“生命在表面之下隱藏著令人驚訝的行為，等待被發(fā)現(xiàn)。”

參考資料：

[1]https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html

[2]https://techxplore.com/news/2020-01-team-robots.html

[3]https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

[4]https://www.jiemian.com/article/6865804.html

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/ofgiKEyVSZ965hswKT1rtA

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