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人类成为造物主第一步!科学家造出智能、自愈“活体机器人”

2020-01-16 08:00:00    创事记 微博 作者:   

原标题:人类成为造物主第一步!科学家造出智能、自愈“活体机器人” 来源:硅星人

Original 光谱 杜晨 硅星人

文 | 杜晨    编辑 | Vicky Xiao

截至今天,人类制造生命只有两种方式:

正常的生殖途径

或者用试管培育。

不管选择何种方式,最终都需要母体的培育,无法规模化。

今天,这个限制被彻底打破了:人类获得了能力,在实验室中大规模生产活体组织。

来自塔夫茨大学和佛蒙特大学的科学家,最近在美国科学院期刊上发表了一篇重磅论文[1],展示了他们在实验室中开发的活体组织,并阐释了如何进行规模化生产的方式。

不仅如此,他们还可以对这些活体组织进行编程,让它们执行任务,变成“活体机器人”。

还没完:虽然只有毫米级大小,这些活体机器人却具有以往固态机器人所不具备的特殊能力,包括自愈、一定程度的智能等等。 

这些微小的活体机器人,被论文作者称为 Xenobots。

这个命名,来自于生产原料——非洲爪蟾(生物学名:Xenopus laevis)的胚胎。

(非洲爪蟾非常适合用作生物学研究,其中一个原因就是胚胎很大,易于处理。它在生物学界也被称为“模式生物”,没想到开发“活体机器人”居然也能排上用场。)

作者从囊胚阶段的非洲爪蟾胚胎中提取了两种不同的祖细胞:

心肌细胞 cardiomyocyte cell,因为它们天然具有舒张的能力,适合当作活体机器人的“腿”,在下图的计算机模拟中显示为红色;

表皮细胞 epidermal cell,它们没有行动的能力,但并非没有用处。比如,它们可以成为活体机器人的骨架,也可以成为“载货”的平台(稍后详述),在下图中显示为青色。

细胞提取出来后,需要进行一段时间的培育:

然后,就可以开始“组装”这些细胞了,用手术钳进行“剪辑”,用电极将它们“粘合”,最终拼接成想要的样子:

毫米级焊工手艺!

问题来了:该拼成什么样呢?

实际上,具体的细胞拼接方式,或者说活体机器人应该长什么样,并不是人决定的:它们的“造物主”,是运行在超级计算机上的进化算法。

这个算法的大致流程是这样的:首先设定一个目标,比如“最大化位移”,算法会生成一堆不同的设计,然后在具有物理属性的虚拟环境中进行模拟,淘汰掉那些表现不好的,最终进化出最好的结果(和生物科学范畴的进化是一个意思)。

实验人员照着结果去组装,然后再把结果返回给算法。

为什么要这样做呢?因为有时候,计算机按照最大化目标模拟出的设计,比如“全是腿”之类的奇异形状,在生物活体上无法实现,或者实际效果并不好。把这些结果告诉计算机,它就能够优化接下来的设计。)

大功告成!虽然由于“工具”的局限,最终拼出来的机器人不是百分之百准确,但已经八九不离十了,圆圆的还挺可爱:

这么一个机器人,不到1毫米大小,不说这几个论文作者的想象力有多丰富,就这手艺活的精细程度得先点个赞……

说是活体机器人,论文作者对它的准确称呼是“可重构生物” (reconfigurable organism)——有着千变万化的组装方式,但拼出来的每一个都是独立的生物个体。

生物学及格的同学们大概还记得,细胞内的线粒体可以通过代谢机制制造能量。同理,由于这些活体机器人实际上是由大量细胞拼接成的生物,它的寿命是由细胞的代谢决定的。目前的实验结果显示,在没有额外营养的前提下,这些活体组织的存活时间从几天到几周不等。

不同的设计可以完成不同的工作,

比如,下图中的这个机器人,可以推动物体前进:

如果换一种设计,提前把物体放在表皮细胞里,它也可以变成一个“载货"机器人——在包括医疗等许多领域,都有很大的想象空间。

其中一个模拟结果显示,活体机器人获得了抛出物体的能力。不过遗憾的是,由于算法的规则限制,这种全部由心肌细胞组成的结果无法通过:

还有一个耐人寻味的现象,单个机器人相遇时会“粘”在一起,形成临时的“多体”机器人,产生比单体更大的作用,一段时间之后才会因为自旋的离心力而“解体”。

还是在医疗领域,是否可以放大量类似的活体机器人到血管里,利用这一特性去清理血管拥堵?

更令人惊讶的是,实验中发现,就算故意在活体机器人的身体上划开一道大口子,仅在10分钟之后它就能在很大程度上实现自我愈合。

这未免跟《终结者》里能自愈的液态金属机器人有点像了……

虽然听上去很厉害,但这个活体机器人目前的能力还非常有限。看了前面的示意图相信你也发现了,它们确实能按照预先设计去执行任务,但是结果很随机,基本上是无意识的。

不可忽视的是,这些活体机器人也已经展现出了强大之处。

作者在论文中指出:这些活体组织没有任何神经系统,但它们仍展现出了合作的现象。

比如,按照概率,由大量心肌细胞组成的”腿“,应该是随机、无意识行动的,让组织哪都去不了;然而实际上,这些细胞可以协同工作,在大多数时间里按照同样的节奏进行舒张,从而推动整体向着一个方向前进。

在另一个例子中,实验中出现了一个耐人寻味的现象:不同的活体组织可以协同工作,将散落在培养皿里的碎屑推到一起:

至于为什么,作者目前也解释不了。

最令作者感到惊讶的地方在于,在生物实体环境 (in vivo) 中拼接出来的活体组织,无法完美复现电脑模拟 (in silico)的理想环境中的设计,去随机化存在很大的”噪音“。

但即便如此,这些活体组织仍然可以在很大程度上完成预先设计的功能,甚至连行动的轨迹(下图冷色曲线)都和电脑模拟的结果(暖色曲线)几乎一致。作者还指出,这种特性在生物界是非常独特的。

这次充满想象力的实验,让我们看到了生物学和前沿计算机相结合之后,完全有可能在生物科技领域掀起一次创新狂潮。

[1] A scalable pipeline for designing reconfigurable organism https://www.pnas.org/content/early/2020/01/07/1910837117

(声明:本文仅代表作者观点,不代表新浪网立场。)

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