科学家利用活体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，科学家团队利用活体蛙细胞开发出“异源机器人”（xenobots）。这些细胞来自蛙胚胎，异源机器人仅宽约一毫米。它们能够朝目标移动，可能携带药物进入人体内部，并在被切割或损伤后自行愈合。

“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，他是这项新研究的联合领导者。“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，而图夫斯大学的生物学家团队则负责组装和测试它们。

“我们可以想象出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，他是图夫斯大学再生和发育生物学中心的主任。“例如，寻找有害化合物或放射性污染，收集海洋中的微塑料，或者在动脉中清除斑块。”

这项研究于1月13日发表在《美国国家科学院院刊》上。

根据团队的说法，这是第一次完全从头开始设计完全生物机器的研究。

这项研究花了数月的处理时间，利用佛蒙特大学的Deep Green超级计算机集群。团队成员包括首席作者和博士生萨姆·克里格曼（Sam Kriegman），他们使用进化算法开发了成千上万种不同的新型生物设计。

当计算机被要求完成科学家给出的任务，如单方向的运动时，它会不断地重新组装几百个模拟细胞成不同的形状和身体形式。随着程序的运行，最成功的模拟生物体被保留和改进。算法独立运行了100次，最佳设计被选中进行测试。

图夫斯大学的团队，由莱文和微外科医生道格拉斯·布莱克斯顿（Douglas Blackiston）领导，随后接手了这个项目。他们将设计转移到了下一个阶段，即生命阶段。团队从非洲蛙（Xenopus laevis）胚胎中收集了干细胞。单个细胞被分离出来并在显微镜下用小镊子和电极切割和连接成计算机设计的形状。

细胞被组装成全新的身体形式，并开始协同工作。皮肤细胞发展成更为被动的构造，而心肌细胞则负责按照计算机设计的有序前进运动。机器人能够自行移动，因为它们遵循自发的自组织模式。

生物体能够以协调的方式移动，持续数天或数周，探索它们的水环境。它们依赖于胚胎能量储备，但一旦被翻转到背面就会失效。

“这是使用计算机设计的生物体进行智能药物输送的第一步，”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，因此它们具有一些优势。

“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。但是生物体已经有45亿年的时间来练习自我再生和持续数十年的生存。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7天，它们就只剩下死去的皮肤细胞。”

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如何从简单的规则中产生复杂的特性，”莱文说。“大部分科学都集中在控制低级规则上。我们也需要理解高级规则。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？我们完全不知道。”

“我认为，对于社会的未来发展来说，理解复杂系统是绝对必要的。第一步就是探索：活体系统如何决定整体行为，以及如何操纵组成部分来实现我们想要的行为？”

“这项研究直接为我们理解复杂系统做出了贡献，人们担心的是意外后果，无论是自动驾驶汽车的快速发展、基因驱动技术用于消灭整个病毒谱系，还是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。“我们希望更深入地理解它，以及如何引导和推动它朝着新的形式发展。”