科学家利用活蛙细胞开发出世界首个活体机器人

在生物生命和机器人技术的交叉领域，科学家团队利用活蛙细胞开发出“异源机器人”（xenobots）。这些细胞来自蛙胚胎，这些异源机器人仅宽一毫米。它们能够向目标移动，可能拾取药物等有效载荷进入人体内部，并在被切割或损坏后自我愈合。

“这些是新型的活体机器，”根据佛蒙特大学的计算机科学家和机器人专家约书亚·邦加德（Joshua Bongard）说，他联合领导了这项研究。“它们既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种。这是一种新的工件类别：一种活体、可编程的生物体。”

科学家们在佛蒙特大学的超级计算机上设计了这些机器人，而图夫斯大学的一组生物学家组装并测试了它们。

“我们可以想象这些活体机器人有很多有用的应用，其他机器无法做到，”联合领导者迈克尔·莱文（Michael Levin）说，他领导图夫斯大学的再生和发育生物学中心，“比如搜索有害化合物或放射性污染，收集海洋中的微塑料，通过动脉行进以清除斑块。”

该研究于1月13日发表在《国家科学院院刊》上。

根据团队的说法，这是第一次从头开始设计完全生物机械的研究。

这项研究花了数月的处理时间，利用佛蒙特大学先进计算核心（Vermont Advanced Computing Core）的Deep Green超级计算机集群。团队包括首席作者和博士生萨姆·克里格曼（Sam Kriegman），他们依靠进化算法开发了成千上万种新的生命形式设计。

当计算机被要求完成科学家给出的任务时，例如单向运动，它会不断地重新组装几百个模拟细胞成不同形状和身体形式。随着程序的运行，最成功的模拟生物体被保留和改进。算法独立运行100次，选取最好的设计进行测试。

图夫斯大学的团队由莱文领导，并得到了微外科医生道格拉斯·布莱克斯顿（Douglas Blackiston）的帮助，他们接过了项目。他们将设计转移到下一个阶段，即生命。团队收集了来自非洲蛙（Xenopus laevis）胚胎的干细胞。单个细胞被分离出来并留置孵化。团队使用微型钳子和电极在显微镜下将细胞切割并连接到计算机设计的形状中。

细胞被组装成全新的身体形态，并开始协同工作。皮肤细胞发展成更被动的构造，而心肌细胞负责按照计算机设计创建有序的前进运动。机器人能够自行移动，因为它们具有自发的自组织模式。

这些生物体能够以协调的方式移动，并在水环境中探索数天或数周。它们依赖于胚胎能量储存，但一旦翻转到背面就会失效。

“这是向使用计算机设计的生物体进行智能药物输送迈出的一步，”邦加德说，他是佛蒙特大学计算机科学和复杂系统中心的教授。

由于异源机器人是活体技术，它们具有某些优势。

“活体组织的缺点是它很脆弱，会降解，”邦加德说。“这就是为什么我们使用钢铁。但生物体已经有45亿年的时间来练习自我再生，并且可以维持数十年。这些异源机器人是完全可生物降解的，”他继续说。“当它们完成任务后七天，它们就只是死去的皮肤细胞。”

这些发展将对未来产生重大影响。

“如果人类要在未来生存下去，我们需要更好地理解复杂属性如何从简单规则中产生，”莱文说。“科学的很大一部分专注于控制低级规则。我们还需要了解高级规则。如果你想要一个有两个烟囱而不是一个烟囱的蚁丘，你如何修改蚂蚁？我们将不知道。”

“我认为对于社会来说，理解系统的结果非常复杂是绝对必要的。为了做到这一点，首先需要探索：活体系统如何决定整体行为，以及我们如何操纵组件来获得我们想要的行为？”

“这项研究是直接为人们所恐惧的东西做出贡献的，例如无人驾驶汽车的快速到来、改变基因驱动以消灭整个病毒谱系，或者其他将日益塑造人类体验的复杂和自治系统。”

“生命中有这么多天生的创造力，”佛蒙特大学的约书亚·邦加德说。“我们希望更深入地了解它——以及如何引导和推动它向新的形式发展。”