磊楓望

不同于傳統(tǒng)機(jī)器人，也不是已知的某種動物物種，Xenobot是一種新型的、具有生命的、可編程的“生物”。

大家印象中的機(jī)器人是不是還停留在銅頭鐵額的機(jī)械體，或者是由鋼筋混凝土、粗重木頭制成的龐然大物？

全球首個可自我復(fù)制的活體機(jī)器人顛覆了人們對于機(jī)器人的刻板印象。這是由來自佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)以及哈佛大學(xué)Wyss研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的一種全新生物繁殖形式，創(chuàng)造了有史以來第一個可以自我復(fù)制的活體機(jī)器人。目前，這項研究成果已于2021年11月29日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

可以自我復(fù)制的Xenobot

2020年，學(xué)者們依靠進(jìn)化算法，利用青蛙的表皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞造出了全球首批活體機(jī)器人，并將其命名為Xenobot。

不同于傳統(tǒng)機(jī)器人，也不是已知的某種動物物種，Xenobot是一種新型的、具有生命的、可編程的“生物”。而且，它可以自主移動，即使被切開也能夠自動愈合。

該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這些由計算機(jī)設(shè)計和手工組裝的生物體能夠游到它們的小盤子里，找到數(shù)百個單細(xì)胞并將其聚在一起，然后在一個“吃豆人”形狀的“嘴巴”中組裝出下一代Xenobot。

幾天后，下一代Xenobot就會變成外觀、行動都與“父輩”一樣的新一代Xenobot。這些新的Xenobot還會繼續(xù)出去尋找細(xì)胞，建立自己的副本，循環(huán)往復(fù)，生生不息……

Xenobot本身是由數(shù)千個非洲爪蟾的胚胎細(xì)胞組成的一個細(xì)胞團(tuán)。如果是正常的繁衍過程，這些胚胎細(xì)胞最終會發(fā)育成蝌蚪的不同部分。來自美國佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的團(tuán)隊，將原始胚胎細(xì)胞切割出不同部分，并按照計算機(jī)模擬出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，人為“生產(chǎn)”出了這種新的生命體。

這些由計算機(jī)設(shè)計出來的細(xì)胞集合結(jié)構(gòu)雖然擁有青蛙的基因組，但它們卻沒有選擇成為蝌蚪，而是以一種看上去像是集體智慧的舉動，進(jìn)行自我復(fù)制。已經(jīng)發(fā)育成熟的細(xì)胞群處在零散胚胎細(xì)胞中時，會自發(fā)地把這些離散細(xì)胞堆在一起。如果這個細(xì)胞團(tuán)足夠大，這些細(xì)胞群就能發(fā)育成會游泳、帶纖毛的后代。只是，這個過程的不確定性較大。溫度范圍、胚胎細(xì)胞的密集度、成熟細(xì)胞群的數(shù)量和隨機(jī)行為、溶液的黏度、培養(yǎng)皿的幾何形狀表面以及污染等，都會影響復(fù)制過程。

所以初代Xenobot的自我復(fù)制，最多只能持續(xù)兩輪。如何擴(kuò)大復(fù)制輪次？這時人工智能（AI）算法就派上用場了。

AI擴(kuò)大復(fù)制輪次

能夠自我復(fù)制的Xenobot最初是由在佛蒙特大學(xué)超級計算機(jī)上運(yùn)行的AI程序構(gòu)思出來的。研究者運(yùn)行了一種能夠在模擬中測試數(shù)十億種生物體型的進(jìn)化算法，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)哪種細(xì)胞配置能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制。

最終，AI發(fā)現(xiàn)了一個成功的設(shè)計：一組形狀像1980年代街機(jī)游戲《吃豆人》中形象的細(xì)胞。在“吃豆人”形狀下，Xenobot的自我復(fù)制系統(tǒng)壽命，由最多2代增加到了4代。

參與該研究的塔夫茨大學(xué)科學(xué)家道格拉斯·布萊金斯頓（Douglas Blackiston）拿著AI給出的設(shè)計，使用微型電烙鐵和手術(shù)鉗，手工雕刻出Xenobot母體。它由3000個青蛙細(xì)胞組成。神奇的是，它可以在培養(yǎng)皿中游走。

隨后，添加到培養(yǎng)皿中的青蛙細(xì)胞為Xenobot母體提供了原材料，它們用這些材料在“吃豆人”形狀的“嘴巴”中造出新的Xenobot。幾天后，新Xenobot又成長為新的Xenobot母體。通過不斷往培養(yǎng)皿中添加青蛙細(xì)胞原料，這種自我復(fù)制過程可以一代又一代地繼續(xù)下去。

在非洲爪蟾生物體中，這些胚胎細(xì)胞會發(fā)育成蝌蚪的皮膚，以阻擋病原體并重新分配黏液。研究團(tuán)隊將這些細(xì)胞置于一個新的環(huán)境中，讓它們有機(jī)會重新構(gòu)建自身的多細(xì)胞性。

“在過去的很長一段時間，人類一直認(rèn)為已經(jīng)找到了生命繁殖或復(fù)制的所有方式，但這個方式是以前從未觀察到的。”道格拉斯·布萊金斯頓表示。

由大約3000個細(xì)胞組成的Xenobot母體自身會形成一個球體。這些球體可以繁殖，但之后系統(tǒng)通常會消亡。實際上，讓系統(tǒng)持續(xù)繁殖是非常困難的，但借助在超級計算機(jī)集群上運(yùn)行的AI程序，進(jìn)化算法能夠在模擬環(huán)境中測試數(shù)十億種體型，比如三角形、正方形、金字塔形、海星形，用來找到在基于運(yùn)動學(xué)的復(fù)制中更有效的細(xì)胞。

“我們發(fā)現(xiàn)生物體或生命系統(tǒng)內(nèi)存在一個此前未知的空間，這是一個廣闊的空間。”佛蒙特大學(xué)工程與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院教授喬什·邦加德（Josh Bongard）說，“我們?nèi)绾稳ヌ剿髂莻€空間？我們發(fā)現(xiàn)了會行走的Xenobot、會游泳的 Xenobot，甚至發(fā)現(xiàn)了可以自我復(fù)制的Xenobot，今后還會有什么驚喜？”

或許正如科學(xué)家們在《美國國家科學(xué)院院刊》研究中所寫的那樣：生命在表象下隱藏著更多驚人的秘密，等待被發(fā)現(xiàn)。

下一步目標(biāo)

與其他已知的生物繁殖形式相比，基于運(yùn)動學(xué)的自我復(fù)制能夠讓下一代的形態(tài)實現(xiàn)擴(kuò)大和縮小。這表明，生物體或許能夠?qū)W會自動設(shè)計，以產(chǎn)生不同大小、形狀和有用行為的后代，而不僅僅是數(shù)量意義上的自我復(fù)制?！拔覀冋谂α私鈴?fù)制這個特性。世界和技術(shù)正在迅速變化，對于整個社會來說，研究和了解它的運(yùn)作原理和方式非常重要?！眴淌病ぐ罴拥抡f。

因此，團(tuán)隊的下一步目標(biāo)是加快人們從認(rèn)識問題到給出解決方案的轉(zhuǎn)變速度，比如利用活體機(jī)器人把塑料微粒從下水道中清理出來，甚至可以利用它制造新的藥物。

研究團(tuán)隊看到了活體機(jī)器人朝著再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前景。該研究指出由于Xenobot機(jī)器人無毒和壽命有限的特性，它可以被當(dāng)作智能藥物輸送或內(nèi)部手術(shù)的新型載體。如果具備表達(dá)信號通路、酶促蛋白和相應(yīng)的受體等，它還可以尋找并消化有毒或無用的產(chǎn)物。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，設(shè)想由患者細(xì)胞制成這樣的生物機(jī)器人，可以從動脈壁清除斑塊、識別癌癥、區(qū)分或控制疾病發(fā)生的位置。即使在沒有特定代謝工程的情況下，它的壽命也是有限制的。

塔夫茨大學(xué)艾倫探索中心主任邁克·列文（Michael Levin）教授解釋道：“如果我們掌握了讓細(xì)胞集合做我們想讓它們做的事，這將會為再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)造歷史，比如為創(chuàng)傷性損傷、出生缺陷、癌癥和衰老提供解決方案?！?/p>

除本項研究外，這種方法是否能夠普及還未可知。但機(jī)器學(xué)習(xí)、軟體模擬和生物打印等領(lǐng)域的飛速發(fā)展很可能會拓寬其未來的潛在應(yīng)用范圍。計算機(jī)技術(shù)和生物領(lǐng)域的結(jié)合已經(jīng)勢在必行。

整個研究成果無疑將會為生物和醫(yī)學(xué)帶來巨大的推動作用。然而有些人給出了不同的解讀，他們對可自我復(fù)制的生物技術(shù)感到擔(dān)憂，甚至是恐懼——人造生命、集體智慧、自我復(fù)制這些技術(shù)會讓人類走向失控，并自我毀滅嗎？

要回答這個問題，首先要明確Xenobot是否智能。道格拉斯·布萊金斯頓表示，新的可復(fù)制生命體實質(zhì)上是可編程生物，人工智能只出現(xiàn)在整個研究過程的設(shè)計和編程階段，并不在Xenobot中?！拔业挠^點是它并不智能?！钡栏窭埂げ既R金斯頓說。但他也認(rèn)同，這項工作確實挑戰(zhàn)了人類此前對生物體的科學(xué)定義。

對于這項研究，仁者見仁，智者見智。不必太糾結(jié)于目前僅有的研究成果，畢竟歷史已證明，科技發(fā)展從長遠(yuǎn)來看，終究還是造福人類的。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）