科學家研發出首個活體機器人！,現在下載,新用戶還送新人禮包,

最新發表在《美國科學院院刊》的科學一項研究就展示了首個由爪蟾細胞制成的活細胞機器人，這種全新的家研機器機器人被稱作“Xenobots”。

說到機器人，發出我們可能會立即想到由鋼鐵鑄成的活體機械體，配備著電纜和高科技的科學操控平臺，這些機器人往往是家研機器冷冰冰的堅硬金屬。但是發出，如果告訴你，活體用活細胞做成的科學機器人不僅軟綿綿的像細胞團一樣具有彈性，而且還能夠運動，家研機器你能夠想象嗎？

最新發表在《美國科學院院刊》的發出一項研究就展示了首個由爪蟾細胞制成的活細胞機器人，這種全新的活體機器人被稱作“Xenobots”。盡管其外表看起來只是科學一小團細胞，但Xenobots能夠朝著特定的家研機器方向移動，并且被切開后，發出還能自行復原，具有強大的延展性和可塑性。研究人員把這種由活細胞構成的機器稱作定制生命系統（Bespoke Living system），相比于合成材料鑄成的機器，活體生命系統在結構和功能上擁有更強的可塑性。

最初的嘗試

在Xenobot之前，已經有一些方法用于設計和構建生命系統，比如對于單細胞形成的組織團塊，雖然研究人員可以通過重構單細胞的基因組，改變它的特性，但很難控制這團組織的形狀和行為。而人工合成的類器官雖然能夠模擬真實器官的結構，但我們卻不能夠控制類器官的運動。研究人員還能通過3D打印制作生物結構，在這種情況下，可以控制結構的外形，但卻無法預測這些結構能做出何種行為。

正是基于上述不完美的嘗試，美國索爾克生物學研究所的研究人員想到，既然預測不了生命系統的外表和行為，那能否讓這些細胞自己學習該怎么做呢？為此，他們設計了一種演化算法，然后把非洲爪蟾的皮膚細胞和心肌細胞作為基礎模塊，輸入計算機模型中。

用算法設計細胞機器人

在演化算法的幫助下，計算機模型開始自己學習如何組裝非洲爪蟾的細胞，并且會實時反饋細胞是如何組合的。在這一過程中，研究人員會向計算機模型輸入一些要求，比如希望搭建的“細胞機器”能夠向一個方向移動，或者帶有孔洞來嵌入外部分子。而計算機模型收到指令后，就會開始利用算法自己探索搭建條件。

計算機模型在運行算法時，會充分考慮兩種非洲爪蟾的細胞的功能，然后再把兩種細胞按不同比例組合起來，比如，把心臟細胞放在皮膚細胞下面，這樣組成的“細胞機器”也許就能動起來。經過多輪嘗試，一些明顯會失敗的細胞組合會被計算機剔除，而能動起來的組合就會被留下來，供研究人員用于后續測試和篩選。

由于這種會自己動的細胞團塊既不是機械裝置，也顯然不是動物，因此研究人員給這種活體機器人制定了一個全新的分類：“有生命的，并且可以編程的生命體”。而在數個月的模擬中，計算機模型生成了成百上千個可能變成活體機器人的細胞組合，研究人員后續要做的就是，用真實的細胞把活體機器人制作出來，然后測試它們是否能像在計算機模型中一樣可以運動，也可以控制。

在這幅圖中，研究者展示了計算機構建出的活體機器人模型，其中紅色塊代表著青蛙的心臟細胞，而藍色代表著皮膚細胞。將這些模塊挑出來后，就能用細胞拼湊出實際的模型，比如右側就展示了根據模型構筑的青蛙細胞團塊。

自發運動，自我修復

負責計算機模擬的同事將優化后的模擬結果轉交給負責細胞實驗的同事后，非洲爪蟾的胚胎就派上了用場。塔夫茨大學的研究人員把爪蟾的胚胎干細胞提取出來，然后制備成單個的干細胞。

研究人員會繼續培養干細胞，然后誘導它們分化，最后變成活體機器人的關鍵組成單元——皮膚細胞和心肌細胞。兩種細胞按什么比例混合，組合成什么形式，都是按照計算機模型給出的結果來執行的。皮膚細胞更像是結構的支撐單元，負責穩定整個活體機器人的結構；而心肌細胞則負責提供動力，它們會根據細胞的組合形式來調控運動的方向，并決定前進還是后退。

如果某一種細胞團塊能夠運動，也可以控制，那么這個細胞組合就會被保留下來，研究人員也會重新將這個組合的相關數據輸入計算機模型進行優化。而那些不能按照研究人員要求運作的細胞團塊則會被放棄。

最終，研究人員根據計算機模擬的結果，制造出了能夠運動，而不需要額外能量和動力的活體機器人。在研究人員提供的水環境中，活體機器人能夠運動數天到數周，它們的能量完全來自細胞本身。而一旦能量用完，這些活體機器人就成為了一團死細胞，可以被降解。

盡管沒有大腦和神經系統控制，這些活體機器人都會以令人驚訝的方式運動。它們會不斷改變自己的運動軌跡，并且不同的活體機器人有著不同的移動方式。最神奇的是，即使研究人員用刀將一個活體機器人切開，它也能立即自我修復，重現了科幻電影《終結者》里那些機器人受傷后自愈的表現。

超越機械機器人

這項研究展示了多個活體機器人模型，有一些甚至能夠自發地轉圈，幾個活體機器人甚至會自發聚集到一起，推動藥丸往前走。還有一些活體機器人的中間帶一個小孔，在這個小孔中，研究人員可以添加藥物或者其他分子，讓活體機器人帶著藥物或分子往前走。“這相當于是一種用電腦設計出來的活體的藥物傳遞系統，”研究主要參與者、美國佛蒙特大學計算機科學和復雜系統中心的Joshua Bongard教授表示。

隨著活體機器人的出現，許多領域的技術將可能迎來變革，比如讓活體機器人帶著藥物定向地向病灶傳遞藥物，又或者在污染水體中搜尋化學物質，在海洋中收集微塑料顆粒。并且，這種機器人的出現也給傳統的生物學家拋出了一個關鍵問題：在活體機器人中，細胞究竟是怎么進行交流的？

在活體機器人中，細胞受損了會自我修復，精密度堪比科幻電影；而同類型的活體機器人碰到一起后會聚集成團塊，共同協作。細胞之間是如何進行如此完美地交流，這正是研究人員下一步想要破解的。“活體機器人已經出現了，現在最重要的是，我們怎樣能控制它，”論文的主要作者Michael Levin表示。

在研究人員眼里，活體機器人百分之百都是蛙類的DNA，但是它又不是青蛙。現在這些爪蟾的細胞已經成為了組建“新物種”的模塊，你很難想象它們能有多少種組建方式。“它們有著現代鋼鐵機器人做不到的本領，”Levin說。