活久見！全球首位活體機(jī)器人創(chuàng)生命繁衍新方式！

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？

亦或是由鋼筋混凝土或者粗重木頭制成的龐然大物？

這不，科學(xué)家馬上安排了一批活體機(jī)器人，劃重點(diǎn)，全球首批！

而且，這些機(jī)器人還會(huì)自我繁殖......

這是由來(lái)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，并創(chuàng)造了有史以來(lái)首位「自我復(fù)制」的活體機(jī)器人。

目前，這項(xiàng)研究成果已于2021年11月29日發(fā)表在《美國(guó)guo家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

去年，這批學(xué)者就依靠進(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(dòng)物物種，「Xenobot」是一種新型的、具有生命的、可編程的生物，而且可以自主移動(dòng)，即使被切開也能夠自動(dòng)愈合。

自主移動(dòng)的Xenobot

自動(dòng)修復(fù)的Xenobot

但在當(dāng)時(shí)，首代「Xenobot」還無(wú)法完成自我復(fù)制。

如今，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)攻克這個(gè)難題，造出了有史以來(lái)首批能夠自我復(fù)制的活體機(jī)器人。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和手工組裝的生物體能夠游到他們的小盤子里，找到數(shù)百個(gè)單細(xì)胞并將其聚在一起，然后在一個(gè)「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」Xenobot。

幾天后，這些「下一代」就會(huì)變成外觀、行動(dòng)都與父輩一樣的新一代Xenobot。這些新的Xenobot還會(huì)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......

1、Xenobot如何自我復(fù)制？

Xenobot本身是由數(shù)千個(gè)非洲角蟾的胚胎細(xì)胞組成的一個(gè)細(xì)胞團(tuán)。如果是正常的繁衍過程，這些胚胎細(xì)胞終會(huì)發(fā)育成蝌蚪的不同部分。

但是，來(lái)自美國(guó)佛蒙特大學(xué)和塔弗茨大學(xué)團(tuán)隊(duì)，將原始胚胎細(xì)胞切割出不同部分，并按照計(jì)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。

該研究的合著者、塔夫茨大學(xué)的權(quán)威科學(xué)家、Douglas Blackiston、表示：長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為我們已經(jīng)找到了生命可以繁殖或復(fù)制的所有方式。但這次我們的發(fā)現(xiàn)是之前從未見過的。

這些由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出來(lái)的細(xì)胞集合結(jié)構(gòu)雖然擁有青蛙的基因組，但是，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(dòng)，做出了令人震驚的事情。

比如，自我復(fù)制。已經(jīng)發(fā)育成熟的細(xì)胞群處在一群零散胚胎細(xì)胞中時(shí)，會(huì)自發(fā)把這些離散細(xì)胞堆在一起。

如果這個(gè)細(xì)胞團(tuán)足夠大，這些細(xì)胞群就能發(fā)育成會(huì)游泳、帶纖毛的后代。只是，這個(gè)過程不確定性較大。

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、溶液的粘度、培養(yǎng)皿的幾何形狀表面，以及污染等等都會(huì)影響復(fù)制。

所以初代Xenobot的自我復(fù)制，頂多只能持續(xù)兩輪。如何擴(kuò)大這種復(fù)制輪次？這時(shí)AI算法就派上用場(chǎng)了。

2、AI如何擴(kuò)大復(fù)制輪次？

既然球狀結(jié)構(gòu)的細(xì)胞團(tuán)不利于繁衍，那是不是可以試試其他形狀？所以要如何突破這個(gè)難題呢？

能夠自我復(fù)制的Xenobot初是由在佛蒙特大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 AI 程序構(gòu)思出來(lái)的。研究者運(yùn)行了一種能夠在模擬中測(cè)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。

AI發(fā)現(xiàn)了一個(gè)成功的設(shè)計(jì)：一組形狀像 1980 年代街機(jī)游戲吃豆人的細(xì)胞。在「吃豆人」形狀下，Xenobots的自我復(fù)制系統(tǒng)壽命，由2代增加到了4代。

該研究的共同作者、塔夫茨大學(xué)權(quán)威科學(xué)家Douglas Blackiston拿著AI給出的設(shè)計(jì)，使用微型電烙鐵和手術(shù)鉗手工雕刻出Xenobot母體，它由3000個(gè)青蛙細(xì)胞組成，能夠在培養(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(zhǎng)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。

在非洲爪蟾蛙中，這些胚胎細(xì)胞會(huì)發(fā)育成皮膚，附在在蝌蚪的外面，從而阻擋病原體并重新分配粘液。但研究團(tuán)隊(duì)將這些細(xì)胞置于一個(gè)新的環(huán)境中，讓它們有機(jī)會(huì)重新想象自身的多細(xì)胞性。

事實(shí)證明，只想成為皮膚的細(xì)胞不是好細(xì)胞。

“在過去的很長(zhǎng)一段時(shí)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(gè)方式是以前從未觀察到的，”Douglas Blackiston表示。

由大約3000個(gè)細(xì)胞組成的Xenobot母體自身形成了一個(gè)球體。這些球體可以繁殖，但之后系統(tǒng)通常會(huì)消亡。實(shí)際上，讓系統(tǒng)持續(xù)繁殖是非常困難的，但借助在超級(jí)計(jì)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(cè)試數(shù)十億種體型，比如三角形、正方形、金字塔、海星，用來(lái)找到在基于運(yùn)動(dòng)的「運(yùn)動(dòng)學(xué)」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(gè)此前未知的空間，這是一個(gè)廣闊的空間，”佛蒙特大學(xué)工程與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院的教授Bongard說。那么，“我們?nèi)绾稳ヌ剿髂莻€(gè)空間？我們發(fā)現(xiàn)了會(huì)行走的Xenobots，我們發(fā)現(xiàn)了會(huì)游泳的 Xenobots。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)了可以自我復(fù)制的Xenobots。今后還會(huì)有什么？”

或許正如科學(xué)家們?cè)凇睹绹?guó)guo家科學(xué)院院刊》研究中所寫的那樣：生命在表面之下隱藏著令人驚訝的行為，等待被發(fā)現(xiàn)。

3、下一個(gè)目標(biāo)是什么？

與其他已知的生物繁殖形式相比，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的自我復(fù)制使得顯著擴(kuò)大和縮小每一代的后代變得有可能。這表明，生物體或許能夠?qū)W會(huì)自動(dòng)設(shè)計(jì)，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。

因此，團(tuán)隊(duì)的下一步的目標(biāo)是加快人們從認(rèn)識(shí)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拉出來(lái)，或者制造新的藥物。

“我們正在努力了解這個(gè)特性：復(fù)制。世界和技術(shù)正在迅速變化，對(duì)于整個(gè)社會(huì)來(lái)說，研究和了解它是如何運(yùn)作的很重要，”Bongard 說。

研究團(tuán)隊(duì)看到了活體機(jī)器人朝著再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前景。

Levin解釋道：如果我們知道如何告訴細(xì)胞集合做我們想讓它們做的事情，那就是再生醫(yī)學(xué)，比如創(chuàng)傷性損傷、出生缺陷、癌癥和衰老的解決方案。這些問題的存在是因?yàn)槲覀儾恢纻儾恢廊绾晤A(yù)測(cè)和控制細(xì)胞群的構(gòu)建。

誠(chéng)如研究人員所說，「在生命的表面之下，還隱藏著更多令人驚訝的行為，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)?！?

然而有些人給出了不同的解讀，比如一些網(wǎng)友，可能對(duì)可自我復(fù)制的生物技術(shù)的概念感到擔(dān)憂，甚至感到恐懼：人造生命、集體智慧、自我復(fù)制。所以，下一步是什么？會(huì)走向失控毀滅嗎？

而要回答這個(gè)問題，首先要明確Xenobot是否具備智能？

當(dāng)被問及Xenobot 是否智能時(shí)，Blackiston表示更愿意將其稱為可編程生物，智能則發(fā)生在設(shè)計(jì)和編程階段，而不是在實(shí)際的Xenobot中。

“我的觀點(diǎn)是它們并不智能?！盉lackiston 說。但他也認(rèn)同，這項(xiàng)工作挑戰(zhàn)了科學(xué)定義。

“由于這些技術(shù)，定義正在走向消亡”，Bongard補(bǔ)充道——Xenobot是AI的產(chǎn)物，而AI本身正在幫助人類消滅人類原本對(duì)智能的標(biāo)準(zhǔn)定義。

所以，對(duì)于這項(xiàng)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看還是造福人類的。