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世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

科技 8个月前 社科兔
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  ▎药明康德内容团队编辑

  机器人能自主产生后代。

  现在,这个看似科幻的场景终于进入了现实——虽然呈现方式或许和你想象的有一点区别。

  在本周发表于《美国科学院院刊》的一篇论文中,美国科学家利用青蛙细胞打造出首个可以自我复制的活体机器人,也更新了我们对于有机体复制方式的认识。

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  这支由美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学的科学家组成的研究团队,在去年1月就已经发表了一项广受关注的成果。当时,他们研发出了世界首个活体机器人。

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  第一眼看过去,这些细胞团似乎与机器人毫无关联。但其实,它们是研究人员利用计算机精心设计出来的。这些细胞团由非洲爪蟾(Xenopus laevis)的胚胎干细胞分化出的心肌细胞和皮肤细胞组成——心肌细胞为细胞团的运动提供动力,而皮肤细胞提供结构支撑。这两种细胞就像是两种不同的积木,计算机模型则会根据研究人员的要求(例如能向某个特定的方向运动),利用这两种“积木”组合、搭建出不同的构型,并且筛选出功能符合设计者要求的那些结构。

  在计算机模型的指导之下,接下来研究团队就可以利用真实的细胞搭建出细胞团。这些经程序设计出的结构,能按照研究人员的期望完成运动、搬运物体等任务,研究团队将它们命名为“Xenobot”。

  不过,这种“有生命的,可编程的新型有机体”存在一个问题,那就是无法自我复制。一旦自身携带的能量耗尽,它们就会“死亡”、被降解。

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  因此,研究团队希望更进一步:让Xenobot实现自我复制。

  Xenobot显然不具备自我意识,也无法像动植物一样繁殖。那么它们要如何实现自我复制?答案是继续“搭积木”。

  研究团队首先设计出由大约3000个细胞构成的第一代Xenobot。他们将这些直径大约0.5毫米的球形细胞团放入长有大量非洲爪蟾干细胞的培养皿中,这时,细胞团表面的纤毛就如同细菌的鞭毛,推动着它们按照设计的方向螺旋游动。而在游动的途中,它们会推动四处分布的干细胞,将它们聚集在一起。随着这个过程持续进行,Xenobot堆积的细胞不断增多。在5天之内,堆积形成了一个比第一代更小、更接近球形的全新细胞团。

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  当它与更大的细胞团分离,第二代Xenobot就诞生了。研究人员将它放入一个全新的培养皿中,这个培养皿里同样含有大量干细胞。于是,同样可以游动、堆积干细胞的第二代Xenobot,重复着第一代的步骤,寻找单个细胞并将它们堆积成新的细胞团。

  不过,这个过程并不能持续很久。研究团队发现,第一代Xenobot最多只能自我复制两次,也就是产生第三代。之后,当新的细胞团只有不到50个细胞时,它就失去了游动、复制的能力。

  有没有办法延长这个自我复制的过程呢?研究团队想到了人工智能。

  他们利用一种模拟自然界演化的算法,预测什么样的Xenobot初始形态可以产生更多后代。利用佛蒙特大学的超级计算机,这个算法预测了数十亿种形态。最终,脱颖而出的是C字型,或者说糖豆人形状的机器人——如同球形开了个口,而这张“嘴”恰好可以帮助Xenobot移动、收集干细胞。

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  随后的实际测试也验证了“糖豆人”Xenobot的复制能力——在培养皿中,这种机器人实现了4次自我复制,比普通球形机器人多复制了两代。

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  在这个过程中,人工智能的作用也彰显无疑——对于科学家来说,要想到这个反直觉的构型绝非易事。

  “这些细胞拥有青蛙的基因组,但它们没有变成蝌蚪。相反,这些具有‘集体智慧’和可塑性的细胞团完成了令人惊讶的任务。” 这项研究的作者之一,塔夫茨大学的Michael Levin教授表示。

  在研究团队看来,从这项进展中,我们或许可以展望医学的全新突破。在Xenobot于去年年初诞生时,论文便指出,这个系统有望用于精准的药物递送。而现在,自我复制能力的加入使得科学家开始期待再生医学的新突破。

  “如果我们知道如何告知细胞团,使其按我们的想法行事,最终这将帮助我们实现再生医学的突破,为对抗创伤、出生缺陷、癌症与衰老找到解决方案,” Levin教授表示,“此前,我们不知道如何预测、控制不同类型的细胞来实现目标功能。而Xenobot成为我们理解这一点的新平台。”

世界首个可自我复制的活体机器人诞生!有望带来医学新突破

  这项进展的另一个意义在于,这是科学家首次在细胞或者有机体中观察到动力学自我复制。这种复制机制在分子层面很常见,但对于有机体,细胞的生长被认为是一切繁衍行为的基础。“人们认为,我们已经找到了生命复制的所有方式,但这项研究中出现的是此前从未观察到的新形式。”论文共同作者,塔夫茨大学的Douglas Blackiston博士表示。在研究团队看来,这种具有全新生命复制模式的新型机器人,甚至能用于研究地球生命复制过程的可能起源。

  正如论文写的那样:“在表面之下,生命还拥有令人惊奇的行为,等待人们发掘。”而这些其貌不扬的活体机器人,是否还藏了更多尚未被揭开的潜能,它们能为我们带来怎样的不同?我们将共同期待。

  参考资料:

  [1]  Sam Kriegman et al。, Kinematic self-replication in reconfigurable organisms。 PNAS(2021) https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118

  [2]  Sam Kriegman et al。, A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms。 PNAS(2020)https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117

  [3] Xenobots: Team builds first living robots that can reproduce。 Retrieved Nov 29th, 2021 from https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html

  本文来自药明康德内容微信团队

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月8日 上午7:10。
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