科幻变为现实！美国科学家发明完全由细胞构成的活体机器人
2020-01-16 06:17:59   来源：东方头条   

当你听说，人类已经掌握了组装生物体“机器人”的时候，是感到恐慌，还是惊讶，又或是对科技进步表示感叹？

左侧是在UVM超级计算机上设计生物的解剖蓝图。右侧是完全由青蛙皮肤（绿色）和心肌（红色）细胞构建的生物体

现在这项技术真的成为了现实，不管你怎么看待这件事，科学家们给出的解释是：书本是由木头制成了，但它们已经不再是树了，同理，我们把死细胞重新组合起来，用在了其它用途上。真正的活体“机器”

一个科学家团队重新利用了从青蛙胚胎中提取的活细胞，并将它们组装成全新的生命形式。这些毫米级的“异种机器人”可以朝目标移动，也能抬起一定重量（例如需要运送到患者体内特定位置的药物），并能在被切割后自行愈合。

佛蒙特大学的计算机科学家和机器人专家约书亚·邦加（Joshua Bongard）说：“这些都是活生生的“机器人” 。 “它们既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种。它是一类新的人工制品：一种活的可编程生物。”

Joshua Bongard

这些新生物是在佛蒙特大学的超级计算机上设计的，然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试。塔夫茨再生与发育生物学中心的负责人迈克尔·莱文（Michael Levin）说：“我们可以想象这些活体机器人在许多领域中的应用是其他机器无法做到的，就像搜寻有毒的化合物或放射性污染物，在海洋中收集微塑料，甚至在动脉中疏通血栓一样。”

这项新研究的结果于1月13日在美国国家科学院院刊上发表 。不太好懂的实验描述

研究小组在最新研究中写道，但这是有史以来第一次“完全从头开始设计完全生物的机器”。

在佛蒙特大学的佛蒙特高级计算中心（Vermont Advanced Computing Core）的Deep Green超级计算机集群上进行了数月的处理后 ，团队成员（包括主要作者和博士生Sam Kriegman）使用了一种进化算法，为新的生命形式创建了数千个候选设计。

每个设计尝试完成科学家分配的任务（例如在一个方向上移动），计算机将一遍又一遍地将数百个模拟细胞重新组装成无数种形式和体形。当程序运行时，受青蛙蛙皮肤和心脏细胞的生物物理基本规则的驱动，成功的模型得以保留和改良，而失败的设计则被抛弃。在算法独立运行一百次之后，选择了最优异设计进行测试。

然后，在迈克尔·莱文的带领下，塔夫茨大学的团队以及显微外科医师道格拉斯·布莱克斯顿（Douglas Blackiston）的合作之下，将计算机设计变为了现实。

首先，他们收集了从以非洲爪蛙（Xenopus laevis）的胚胎中收获的干细胞 （因此，名称为“ xenobots”） 。将它们分成单个细胞，然后进行培育。然后，使用微小的镊子和均匀的电极，将细胞切割并在显微镜下连接成计算机指定设计的近似值。

这些细胞组装成自然界中并不存在的身体形态，开始协同工作。皮肤细胞形成了更为被动的结构，而曾经随机收缩的心肌细胞开始起作用，在计算机的设计指导下，并在自发的自组织模式的帮助下，使有序的向前运动成为可能，从而使机器人得以继续前进。

这些可重配置的生物体能够以连贯的方式移动，并能在数天或数周的时间内探索它们所处的水环境，并依靠胚胎储能。然而翻跟头失败了，就像甲虫或者乌龟被翻了过来，转不回去。

后来的测试表明，异种机器人会绕圈运动，将颗粒自发地和集体地推到中央位置。其他的则建有一个穿过中心的孔，以减少阻力。在这些的模拟版本中，科学家们能够将这个孔重新设计为可携带物体的小口袋。约书亚·邦加表示：“这是朝着使用计算机设计的生物体进行智能药物输送迈出的一步 。”应用前景

生活中的常见物品都是是由钢筋，混凝土或塑料等材料制成的。尽管这些材料坚固可靠，但是它们也会造成生态和人类健康问题，例如海洋中日益严重的塑料污染，许多合成材料和电子产品的毒性等。

约书亚·邦加说：“活组织的缺点是它很弱小并且会被降解。” “这就是我们使用钢铁的原因。但是，生物已经进化了45亿年了， 当他们停止工作时（死亡），它们通常会无害地分崩离析。”邦加德说：“这些活体机器人是完全可生物降解的，当他们在七天后完成工作时，它们就会变成死掉的皮肤细胞被降解。”

在新的实验中，科学家切割了活体机器人并观察了发生的情况。邦加说：“我们将机器人切成两半，它将自己合起来，然后继续前进。这是传统机器无法做到的。”

迈克尔·莱文和约书亚·邦加都表示，他们已经深入了解了有关细胞间如何进行通讯和连接，结合了计算科学和我们对生命的理解。

莱文说：“生物学的最大问题便是理解决定形式和功能的演算法。基因组能编码蛋白质，但硬体如何让细胞在各种不同的条件下合作，进行功能性解剖，这还等着我们发现。”

同时，为了使有机体发展并有用，有机计算一直在有机体的细胞内和细胞间进行，而不仅在神经元。这些几何特徴是透过生物电学、生物化学和生物力学形成。

“这些过程在DNA特定的硬件上运行，”莱文说，“这些过程是可重新配置的，从而可以创造出新的生命形式。”潜在影响

许多人担心快速的技术变革和复杂的生物操作的影响。

莱文表示：“这种恐惧并非没有道理。” “当我们开始搞乱我们不了解的复杂系统时，我们将得到意想不到的后果。”

莱文说：“如果人类想要持续发展，我们就需要更好地了解简单规则如何以某种方式出现复杂的特性。” 他说，许多科学都集中在“控制底层规则。我们还需要了解高阶规则”。“

莱文说：“我认为社会绝对有必要对结果非常复杂的系统进行更慎重的处理。要做到这一点的第一步是探索：生命系统如何决定整体行为，以及我们如何操纵各部分来完成我们想要的行为？”

换句话说，“这项研究是对解决人们所担心的事情的直接贡献，这是意想不到的后果。”

“生活中蕴含着所有与生俱来的创造力。” “我们想更深入地了解这一点，以及我们如何指导和推动它发展新形式。”