科学家利用活的蛙细胞开发出世界上第一台活的机器人

在生物生命和机器人技术的交叉领域，科学家团队利用活的蛙细胞开发出“异生机器人”（xenobots）。这些细胞来自蛙胚胎，这些异生机器人只有毫米级的宽度。它们能够向目标移动，可能携带药物进入人体内部，并在被切割或损坏后自我愈合。

“这些是新型的活的机器，”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，他与新研究的领导者一起领导了这项研究。“它们既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种。这是一种新的制品类别：一种活的、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，而塔夫茨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的机器人有很多有用的应用，其他机器无法做到，”共同领导者迈克尔·莱文（Michael Levin）说，他是塔夫茨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，通过动脉行进以清除斑块。”

这项研究于1月13日发表在《国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。

根据团队的说法，这是第一次完全从头设计完全生物机器的研究。

这项研究花了几个月的时间在佛蒙特大学的Deep Green超级计算机集群上进行处理。团队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新型生物的设计。

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的形式和身体形状。随着程序的运行，最成功的模拟生物体被保留和改进。算法独立运行了一百次，最佳设计被选中进行测试。

塔夫茨大学的团队由莱文领导，并在微外科医生道格拉斯·布莱克斯顿（Douglas Blackiston）的帮助下，将项目提升到下一个阶段，即生命阶段。他们从非洲蛙的胚胎中收集了干细胞，这些细胞来自物种Xenopus laevis。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和连接成计算机设计的形状。

细胞被组装成全新的身体形态，并开始协同工作。皮肤细胞发展成更为被动的构造，而心肌细胞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，并且可以在水环境中生存数天或数周。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步骤，”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。

由于异生机器人是活的技术，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和生存数十年。这些异生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如何从简单的规则中产生复杂的属性，”莱文说。“科学的很多方面都集中在控制低级规则。我们也需要了解高级规则。如果你想要一个有两个烟囱的蚁丘，而不是一个，如何修改蚂蚁？我们完全不知道。”

“我认为这是社会未来发展的绝对必要条件，即更好地理解系统，其中结果非常复杂。为了实现这一目标，首先要探索：活的系统如何决定整体行为，如何操纵组成部分以获得所需的行为？”

“这项研究是直接为人们所担心的问题做出贡献，即意外后果，无论是在自动驾驶汽车的快速到来、改变基因驱动以消灭整个病毒谱系，还是其他将日益塑造人类体验的复杂和自主系统。”

“生命中有所有这些天生的创造力，”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以形成新的形态。”