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世界首個可自我復制的活體機器人誕生！可“繁衍”4代
機器人能自主產(chǎn)生后代。 現(xiàn)在，這個看似科幻的場景終于進入了現(xiàn)實——雖然呈現(xiàn)方式或許和你想象的有一點區(qū)別。
來源： 學術(shù)經(jīng)緯
機器人能自主產(chǎn)生后代。
現(xiàn)在，這個看似科幻的場景終于進入了現(xiàn)實——雖然呈現(xiàn)方式或許和你想象的有一點區(qū)別。
在本周發(fā)表于《美國科學院院刊》的一篇論文中，美國科學家利用青蛙細胞打造出首個可以自我復制的活體機器人，也更新了我們對于有機體復制方式的認識。
這支由美國佛蒙特大學、塔夫茨大學和哈佛大學的科學家組成的研究團隊，在去年1月就已經(jīng)發(fā)表了一項廣受關(guān)注的成果。當時，他們研發(fā)出了世界首個活體機器人。
▲去年發(fā)表的首個活體機器人（圖片來源：參考資料[2]）
第一眼看過去，這些細胞團似乎與機器人毫無關(guān)聯(lián)。但其實，它們是研究人員利用計算機精心設(shè)計出來的。這些細胞團由非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎干細胞分化出的心肌細胞和皮膚細胞組成——心肌細胞為細胞團的運動提供動力，而皮膚細胞提供結(jié)構(gòu)支撐。這兩種細胞就像是兩種不同的積木，計算機模型則會根據(jù)研究人員的要求（例如能向某個特定的方向運動），利用這兩種“積木”組合、搭建出不同的構(gòu)型，并且篩選出功能符合設(shè)計者要求的那些結(jié)構(gòu)。
在計算機模型的指導之下，接下來研究團隊就可以利用真實的細胞搭建出細胞團。這些經(jīng)程序設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，能按照研究人員的期望完成運動、搬運物體等任務(wù)，研究團隊將它們命名為“Xenobot”。
不過，這種“有生命的，可編程的新型有機體”存在一個問題，那就是無法自我復制。一旦自身攜帶的能量耗盡，它們就會“死亡”、被降解。
▲計算機利用兩種細胞“搭積木”，形成能實現(xiàn)特定功能的機器人（圖片來源：參考資料[2]）
因此，研究團隊希望更進一步：讓Xenobot實現(xiàn)自我復制。
Xenobot顯然不具備自我意識，也無法像動植物一樣繁殖。那么它們要如何實現(xiàn)自我復制？答案是繼續(xù)“搭積木”。
研究團隊首先設(shè)計出由大約3000個細胞構(gòu)成的第一代Xenobot。他們將這些直徑大約0.5毫米的球形細胞團放入長有大量非洲爪蟾干細胞的培養(yǎng)皿中，這時，細胞團表面的纖毛就如同細菌的鞭毛，推動著它們按照設(shè)計的方向螺旋游動。而在游動的途中，它們會推動四處分布的干細胞，將它們聚集在一起。隨著這個過程持續(xù)進行，Xenobot堆積的細胞不斷增多。在5天之內(nèi)，堆積形成了一個比第一代更小、更接近球形的全新細胞團。
當它與更大的細胞團分離，第二代Xenobot就誕生了。研究人員將它放入一個全新的培養(yǎng)皿中，這個培養(yǎng)皿里同樣含有大量干細胞。于是，同樣可以游動、堆積干細胞的第二代Xenobot，重復著第一代的步驟，尋找單個細胞并將它們堆積成新的細胞團。
不過，這個過程并不能持續(xù)很久。研究團隊發(fā)現(xiàn)，第一代Xenobot最多只能自我復制兩次，也就是產(chǎn)生第三代。之后，當新的細胞團只有不到50個細胞時，它就失去了游動、復制的能力。
有沒有辦法延長這個自我復制的過程呢？研究團隊想到了人工智能。
他們利用一種模擬自然界演化的算法，預測什么樣的Xenobot初始形態(tài)可以產(chǎn)生更多后代。利用佛蒙特大學的超級計算機，這個算法預測了數(shù)十億種形態(tài)。最終，脫穎而出的是C字型，或者說糖豆人形狀的機器人——如同球形開了個口，而這張“嘴”恰好可以幫助Xenobot移動、收集干細胞。
隨后的實際測試也驗證了“糖豆人”Xenobot的復制能力——在培養(yǎng)皿中，這種機器人實現(xiàn)了4次自我復制，比普通球形機器人多復制了兩代。
在這個過程中，人工智能的作用也彰顯無疑——對于科學家來說，要想到這個反直覺的構(gòu)型絕非易事。
在研究團隊看來，從這項進展中，我們或許可以展望醫(yī)學的全新突破。在Xenobot于去年年初誕生時，論文便指出，這個系統(tǒng)有望用于精準的藥物遞送。而現(xiàn)在，自我復制能力的加入使得科學家開始期待再生醫(yī)學的新突破。
▲第二代Xenobot（綠色）的形成過程（圖片來源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman）
這項進展的另一個意義在于，這是科學家首次在細胞或者有機體中觀察到動力學自我復制。這種復制機制在分子層面很常見，但對于有機體，細胞的生長被認為是一切繁衍行為的基礎(chǔ)。
注：原文有刪減
參考資料：
[1] Sam Kriegman et al., Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. PNAS (2021) https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118
[2] Sam Kriegman et al., A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS (2020) https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117
[3] Xenobots: Team builds first living robots that can reproduce. Retrieved Nov 29th, 2021 from https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
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