孫滔

這是一種由生物細(xì)胞組成的可編程機(jī)器人，可自主移動。它不是新物種，不同于現(xiàn)有的器官或生物體，卻是活的生物體。科學(xué)家將非洲爪蟾的皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞組裝成了全新的生命體，這些毫米級的異種機(jī)器人可以定向移動，還可以在遇到同類的時候“搭伙”合并。

它們還可以被定制成各種造型，如四足機(jī)器人，如帶有“口袋”的機(jī)器人。未來可期的是，帶有“口袋”的機(jī)器人可以在人體內(nèi)遞送藥物。這些機(jī)器人還可以用來尋找危險的化合物或放射性污染物;在人體動脈中移動刮除斑塊，拆除這些引發(fā)心腦血管病的“定時炸彈”。

這項研究來自美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)科學(xué)家的合作，論文標(biāo)題為《用于設(shè)計可重構(gòu)生物體的可擴(kuò)展性管線研究》，發(fā)表在2020年1月14日（北京時間）的《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。通訊作者系佛蒙特大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系教授喬什·邦加德（Josh Bongard）。邦加德告訴DeepTech，這項研究的主要目的是為了證明計算機(jī)設(shè)計生物體的概念。

基于進(jìn)化算法的細(xì)胞機(jī)器人

這類活體機(jī)器人來自佛蒙特大學(xué)的超級計算機(jī)設(shè)計，由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家進(jìn)行非洲爪蟾細(xì)胞的組裝和測試。邦加德說，這個機(jī)器人基于了進(jìn)化算法，也就是計算機(jī)模擬進(jìn)化的過程。具體而言就是，計算機(jī)首先利用500個～1000個虛擬細(xì)胞創(chuàng)建出一組隨機(jī)設(shè)計的生物體，每種設(shè)計都有皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞的隨機(jī)排列。毫無疑問，這些設(shè)計雛形絕大部分沒有動靜，但總會有例外。因?yàn)樾募〖?xì)胞會自發(fā)收縮和舒張，這就是細(xì)胞運(yùn)動的引擎，如果這些心肌細(xì)胞收縮和舒張行為協(xié)調(diào)得好，極少數(shù)雛形就會產(chǎn)生微弱的運(yùn)動能力。那么研究人員就將這些攜帶運(yùn)動能力的雛形進(jìn)一步復(fù)制，其下一代有可能會出現(xiàn)移動速度更快的版本。如此反復(fù)復(fù)制多代后就會出現(xiàn)能快速移動的機(jī)器人版本。

生物細(xì)胞機(jī)器人可以自愈

四足細(xì)胞機(jī)器人，直徑為650微米～750微米

圖左為超級計算機(jī)的模型，圖右為由非洲爪蟾皮膚細(xì)胞（綠色）和心肌細(xì)胞（紅色）構(gòu)建的細(xì)胞機(jī)器人

研究人員說，進(jìn)化算法為新的生命形式創(chuàng)建了多代、數(shù)千個候選設(shè)計，最終篩選出了可定向移動的機(jī)器人形態(tài)。邦加德的計算機(jī)設(shè)計是由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際操作中，研究人員利用顯微工具從非洲爪蟾胚胎中刮下皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞的早期細(xì)胞，將它們分離成單個細(xì)胞，然后孵育。即使不經(jīng)人工操作，這些皮膚細(xì)胞和心臟細(xì)胞自身就會迅速聚集凝結(jié)成無定形團(tuán)塊。研究人員使用微小的鑷子和電極，手動對聚集的組織進(jìn)行塑形，在顯微鏡下操作將其連接成計算機(jī)設(shè)計的近似形態(tài)。

奇跡出現(xiàn)了。在組成了新的形態(tài)后，這些細(xì)胞就開始協(xié)同工作。本來是隨機(jī)收縮的心肌細(xì)胞出現(xiàn)了自組織模式的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了移動前行。這個機(jī)器人被命名為“ xenobots”，意為非洲爪蟾細(xì)胞機(jī)器人，而非洲爪蟾是南非的一種水生青蛙，是發(fā)展生物學(xué)的重要模式生物。研究人員得出結(jié)論，這種運(yùn)動來自計算機(jī)的設(shè)計。邦加德在郵件中向DeepTech 解釋了理由，即在將這個細(xì)胞機(jī)器人進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后，它就像烏龜翻轉(zhuǎn)過來一樣四腳朝天不再運(yùn)動?！斑@說明向前運(yùn)動是人工設(shè)計的結(jié)果，而不是來自偶然?！?/p>

這個研究還有望揭開細(xì)胞之間通訊的奧秘。生物體形態(tài)和功能的關(guān)系一直是重大科學(xué)問題，其中細(xì)胞通訊很是關(guān)鍵。要知道，細(xì)胞通訊不限于神經(jīng)元之間，而是存在于其它細(xì)胞之間。這些通訊是通過生物電、生物化學(xué)和生物力學(xué)來實(shí)現(xiàn)的。這個研究對于了解生命程序很有幫助。《衛(wèi)報》報道說，研究參與者、塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任邁克爾·列文教授認(rèn)為，如果人類對控制生命的生長和形態(tài)有足夠了解的話，那么出生缺陷、癌癥和衰老等難題就有望解決。列文實(shí)驗(yàn)室主要通過實(shí)驗(yàn)和建模來研究細(xì)胞通訊和組織形態(tài)的關(guān)系，以及細(xì)胞通訊在胚胎發(fā)育過程中的分子機(jī)制。

生物細(xì)胞機(jī)器人的移動軌跡

可降解的藥物遞送

非洲爪蟾的細(xì)胞本身并不特殊，但其組成的這個生物體卻表現(xiàn)出了生物活體的行為。這個可編程細(xì)胞機(jī)器人不僅能維持形態(tài)，還能在遭受破壞時自我修復(fù)。細(xì)胞機(jī)器人可在水性環(huán)境中存活長達(dá)10天，并能移動而無需額外補(bǔ)充營養(yǎng)。一些機(jī)器人可直線前行，一些機(jī)器人可繞圈。

測試表明，有的細(xì)胞機(jī)器人可以自發(fā)地在中間凹陷形成一個中心孔，那么就可將顆粒物聚集到中心位置。研究人員說，這意味著該機(jī)器人有進(jìn)行藥物遞送的潛力。當(dāng)機(jī)器人停止工作（也就是死亡）時，它們通常會無害地降解。相比金屬和塑料等其它材質(zhì)的藥物遞送工具，這也是生物細(xì)胞機(jī)器人用于人體遞送藥物的巨大優(yōu)勢。當(dāng)被問及這種藥物遞送方式會不會引發(fā)人體免疫反應(yīng)時，邦加德表示，如果能夠?qū)崿F(xiàn)用患者自己的細(xì)胞制造機(jī)器人，這項技術(shù)才有望真正用于藥物遞送了。只是這些應(yīng)用前景尚未得到驗(yàn)證。他們的研究主要目的是為了證明計算機(jī)設(shè)計生物體的概念，而并非為了實(shí)現(xiàn)藥物遞送的應(yīng)用。

下一步，他們希望能夠?qū)崿F(xiàn)用哺乳動物細(xì)胞來創(chuàng)建機(jī)器人。那么問題就會隨之而來，如果生物細(xì)胞機(jī)器人產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)和感知系統(tǒng)的話，就要涉及倫理問題了。據(jù)《衛(wèi)報》報道，論文第一作者、佛蒙特大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系的博士生山姆·克里格曼表示，這個問題需要公開討論，需要最終找到一個解決方案。不過他說，如果看過這些機(jī)器人的畫面，就不會覺得它們會產(chǎn)生對人類的威脅。有倫理學(xué)者認(rèn)為，這些生物細(xì)胞機(jī)器人只有在產(chǎn)生能感知疼痛等神經(jīng)組織的時候，才能上綱上線到倫理道德問題。