一款使用青蛙細胞建造而成的活體機器人

2020-12-24 電子發燒友

一款使用青蛙細胞建造而成的活體機器人

教育新聞網 發表於 2020-04-27 17:37:34

（文章來源：教育新聞網）

一本書是用木頭做的。但這不是一棵樹。死細胞已重新用於其他需求。現在，一組科學家重新利用了從青蛙胚胎中提取的活細胞，並將它們組裝成全新的生命形式。這些毫米級的「異種機器人」可以朝目標移動，也許會撿起有效載荷(例如需要運送到患者體內特定位置的藥物)，並在切割後自行治癒。

佛蒙特大學的計算機科學家和機器人專家Joshua Bongard說：「這些都是新穎的生活機器。」「它們既不是傳統的機器人，也不是已知的動物物種。它是一類新的人工製品：一種活的可編程生物。」

這些新生物是在UVM的超級計算機上設計的，然後由塔夫茨大學的生物學家組裝和測試。塔夫茨大學再生與發育生物學中心的負責人麥可·萊文說：「我們可以想像這些活人機器人在許多有用的應用中是其他機器無法做到的，就像尋找令人討厭的化合物或放射性汙染，收集微塑料一樣。」在海洋中，在動脈中刮擦斑塊。」

這項新研究的結果於1月13日在美國國家科學院院刊上發表。至少從農業的曙光開始，人們就一直在為人類的利益而操縱生物，遺傳編輯正變得越來越普遍，並且在過去的幾年中已經人工組裝了一些人造生物-複製已知動物的體型。但是，該研究小組首次在研究中寫道：「這項研究是「從頭開始完全設計生物機器的」。

在UVM的佛蒙特州高級計算核心的Deep Green超級計算機集群上進行了數月的處理後，該團隊-包括主要作者和博士生Sam Kriegman-使用了一種進化算法為新的生命形式創建了數千個候選設計。嘗試完成科學家分配的任務(例如在一個方向上移動)，計算機將一遍又一遍地將幾百個模擬細胞重新組裝成多種形式和身體形狀。隨著程序的運行-受有關青蛙蛙皮膚和心臟細胞可以做什麼的生物物理學基本規則的推動-保留並改進了更成功的模擬生物，同時拋棄了失敗的設計。在算法獨立運行一百次之後，選擇了最有前途的設計進行測試。

然後，在萊文(Levin)的帶領下，在塔夫茨(Tufts)的團隊以及顯微外科醫生道格拉斯·布萊克斯頓(Douglas Blackiston)的關鍵工作下，計算機技術的設計得以實現。首先，他們收集了從非洲蛙(非洲爪蟾)的胚胎中收穫的幹細胞。(因此名稱為「 xenobots」。)將它們分成單個細胞，然後進行孵育。然後，使用微小的鑷子和均勻的電極，將細胞切割並在顯微鏡下連接成計算機指定設計的近似值。

這些細胞組裝成自然界中從未見過的身體形態，開始協同工作。皮膚細胞形成了更加被動的架構，而曾經隨機收縮的心肌細胞開始工作，在計算機的設計指導下，並在自發的自組織模式的幫助下，創造了有序的向前運動-允許機器人繼續前進他們自己的。這些可重構生物被證明能夠以連貫的方式移動-在胚胎儲能的支持下，探索其水環境數天或數周。翻開，但是，他們失敗了，就像甲蟲倒在他們的背上。

後來的測試表明，異種機器人會繞圈運動，將顆粒自發地和集體地推到中心位置。其他的則建有一個穿過中心的孔，以減少阻力。在這些的模擬版本中，科學家們能夠將這個孔重新定位為可成功攜帶物體的小袋。UVM的計算機科學與複雜系統中心系教授Bongard說：「這是朝著使用計算機設計的生物體進行智能藥物輸送邁出的一步。」

許多技術是由鋼，混凝土或塑料製成的。這可以使它們強大或靈活。但是它們也會造成生態和人類健康問題，例如海洋中日益嚴重的塑料汙染禍害以及許多合成材料和電子產品的毒性。邦加德說：「活組織的缺點是它薄弱並且會降解。」「這就是我們使用鋼鐵的原因。但是，有機體具有45億年的再生自身實踐並持續數十年的實踐。」當他們停止工作時-死亡-他們通常會無害地分崩離析。邦加德說：「這些異種機器人是完全可生物降解的，當他們在工作七天後完成工作時，它們只是死了的皮膚細胞。」

您的筆記本電腦是一項強大的技術。但是嘗試將其切成兩半。效果不是很好。在新的實驗中，科學家切割了異種機器人並觀察了發生的情況。邦加德說：「我們將機器人切成兩半，然後將自己縫合起來，然後繼續前進。」「這是典型機器無法做到的。」

Levin和Bongard都表示，他們已經學到的有關細胞如何進行通訊和連接的潛能已深入到計算科學和我們對生命的理解中。萊文說：「生物學的最大問題是了解決定形式和功能的算法。」「基因組編碼蛋白質，但是轉化性的應用正在等待我們發現這種硬體如何使細胞能夠在非常不同的條件下協作進行功能解剖的發現。」

為了使有機體得以發展和發揮功能，許多信息共享與合作(有機計算)一直在細胞內和細胞間進行，而不僅限於神經元內。這些新興的幾何特性是由生物電，生物化學和生物機械過程所塑造的，「這些過程在DNA特定的硬體上運行，」萊文說，「這些過程是可重新配置的，從而可以創造出新穎的生命形式。」

科學家們看到了他們最新的PNAS研究中提出的工作-「用於設計可重構生物的可擴展管道」，這是將對這種生物電代碼的見解應用於生物學和計算機科學的第一步。「究竟是什麼決定了細胞協同作用的解剖結構?」萊文問。「您看一下我們一直在用異種機器人構建的細胞，並且從基因上講，它們是青蛙。這是100%的青蛙DNA，但這些不是青蛙。然後，您問，那麼，這些細胞還能做什麼?建造?」

萊文說：「正如我們所展示的，這些青蛙細胞可以被誘使成有趣的生物形式，這與它們的默認解剖結構完全不同。」他和UVM和Tufts小組的其他科學家在DARPA的「終身學習機器」計劃和國家科學基金會的支持下，相信製造異種機器人是邁向破解他所謂的「形態發生學代碼」的一小步，更深入地了解生物的整體組織方式-以及它們如何根據其歷史和環境來計算和存儲信息。

許多人擔心迅速的技術變革和複雜的生物操縱的影響。萊文說：「這種恐懼並非沒有道理。」「當我們開始搞一些我們不了解的複雜系統時，我們將得到意想不到的後果。」許多複雜的系統(例如蟻群)都以一個簡單的單位-螞蟻開始-從中無法預測其菌落的形狀或如何通過相互連接的物體在水上架起橋梁。

萊文說：「如果人類要生存到未來，我們就需要更好地了解簡單規則如何以某種方式出現複雜的特性。」他說，許多科學都集中在「控制底層規則。我們還需要了解高層規則」。「如果您想要一個有兩個而不是一個的煙囪的蟻丘，您將如何修改這些蟻?我們不知道。」

萊文說：「我認為社會絕對有必要對結果非常複雜的系統進行更好的處理。」「要做到這一點的第一步是探索：生命系統如何決定整體行為應該是什麼，以及我們如何操縱碎片來獲得我們想要的行為?」

換句話說，「這項研究是對人們所擔心的事情的處理的直接貢獻，這是意想不到的後果，」萊文說-無論是在自動駕駛汽車的迅速普及中，還是通過改變基因驅動力來消滅整個人病毒譜系，或將越來越多地影響人類體驗的許多其他複雜的自治系統。UVM的喬什·邦加德(Josh Bongard)說：「生活中蘊含著所有與生俱來的創造力。」「我們想更深入地了解這一點-以及我們如何指導和推動它發展新形式。」

（責任編輯：fqj）

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