由青蛙細胞生成的首個活體機器人升級：5 分鐘恢復(fù)“致命傷”，壽命達數(shù)月

本文作者：付靜

2021-04-02 17:56

導(dǎo)語：科學(xué)家們不僅要探索生物機器，也想厘清基因組的“硬件”與細胞通信的“軟件”之間的關(guān)系。

2020 年 1 月 13 日，科學(xué)家們官宣了世界第一個由青蛙干細胞生成的活體機器人。

活體機器人既非傳統(tǒng)意義上的機器人，也不是某個已知的動物品種，科學(xué)家們對它下的定義是「可編程生物體」。

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這種“生物”神奇的地方在于受破壞后還能自己愈合。

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過去一年里，科學(xué)家們對這款全球首個活體機器人進行了一次升級，就在 2021 年 3 月 31 日，相關(guān)研究成果正式發(fā)表于知名學(xué)術(shù)期刊 Science 子刊 Science Robotics，題為 A cellular platform for the development of synthetic living machines（一個用于開發(fā)合成生命機器的細胞平臺）。

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論文作者來自于美國塔夫茨大學(xué)艾倫探索中心、佛蒙特大學(xué)計算機科學(xué)系、新澤西理工學(xué)院生物科學(xué)系、哈佛大學(xué) Wyss 生物啟發(fā)工程研究所。

全球首個活體機器人誕生

迄今為止，很多技術(shù)離不開鋼鐵、混凝土、化學(xué)品、塑料等材料，隨著時間的推移可能對生態(tài)環(huán)境和健康產(chǎn)生副作用。

佛蒙特大學(xué)與塔夫茨大學(xué)團隊的科學(xué)家們認為，利用可自我更新、生物兼容的材料設(shè)計機器人，將會是一條不錯的思路——理想狀態(tài)下，甚至可以用生物體做材料。

因此，科學(xué)家們決定從頭開始設(shè)計一種所謂“生物機器”的存在，他們的方法是：利用計算機模擬、自動設(shè)計形態(tài)，然后將不同的生物組織結(jié)合在一起，從而構(gòu)建最佳設(shè)計。

具體而言，他們利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚細胞和心臟細胞，創(chuàng)造出了名為 Xenobots 的活體機器人。Xenobots 這個名字中，“Xeno”代表非洲爪蟾的英文名稱 Xenopus laevis，“bots”則指機器人。

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Xenobots 雖然寬度不足 1 毫米，但可以向目標移動，能拿起物體（比如需要運送到患者體內(nèi)特定位置的藥物），受破壞可自愈，甚至能在一群生物機器出現(xiàn)時表現(xiàn)出集體行為。

佛蒙特大學(xué)計算機科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)中心教授 Josh Bongard 曾介紹：

Xenobots 有自我再生修復(fù)機制，而且當它們停止工作、死亡時，通常也不會對外界環(huán)境帶來破壞，它們是完全可生物降解的。七天后當它們完成工作時，就會變成死皮細胞。

Xenobots 的創(chuàng)造過程有兩步：

第一步，利用佛蒙特大學(xué)的 Deep Green 超級計算機，研究團隊用了幾個月時間通過進化算法為這一新的生命形式做出了上千個設(shè)計。

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為完成任務(wù)（比如朝某個方向移動），計算機會一遍遍地將幾百個模擬細胞重新組合成無數(shù)的形式或形狀。程序受生物物理學(xué)基本規(guī)則驅(qū)動運行，不斷對較為成功的模擬生物進行保存、優(yōu)化，對失敗的進行拋棄。100 次獨立運行之后，科學(xué)家終于選出了最滿意的設(shè)計。

第二步，塔夫茨大學(xué)團隊將電腦設(shè)計變成現(xiàn)實。

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他們先從非洲爪蟾胚胎中收集干細胞，將其分離成單個細胞并孵育，然后用小鑷子和小電極將細胞切割、連接等工作，使其非常接近于計算機指定的設(shè)計。于是，這些細胞就被組裝成了自然界中從未見過的形體。

值得一提的是，在科學(xué)家們的操縱下，非洲爪蟾的皮膚細胞形成了一個更加被動的結(jié)構(gòu)，而原本無序收縮的心肌細胞則在電腦設(shè)計的指導(dǎo)下、在自組織模式的幫助下，產(chǎn)生有序的向前運動——這正是機器人自行移動的關(guān)鍵。

在當時的論文中，研究團隊也表示：

通過這種方法，科學(xué)家們能夠設(shè)計出各種各樣的生命機器，從而安全地將藥物輸送到人體、幫助實現(xiàn)對環(huán)境的修復(fù)，或是進一步拓寬我們對生命可能的多種形式和功能的理解。

活體機器人迎來大升級

不過，科學(xué)家們并不滿足于僅僅實現(xiàn)上述研究成果，一年時間過去，第二代 Xenobots（下稱 Xenobots 2.0）也誕生了。

在最新的論文中，科學(xué)家們寫道：

雖然此前通過在形狀精確的支架上生長肌肉細胞，創(chuàng)造出了可運動生物構(gòu)造，但將尚不成熟的自組織和功能可塑性運用到自我導(dǎo)向的生命機器，仍是一項重大挑戰(zhàn)。

基于此，科學(xué)家們的最新突破主要在于，不需肌肉細胞移動，創(chuàng)造出了從單個細胞自我組裝身體的生命形式。Xenobots 2.0 有了記憶能力，移動速度更快，可在不同環(huán)境中運行，壽命也比 Xenobots 更長（無額外能源下運行，可存活10天；額外能源加持下可全速運行數(shù)月），仍然可以展現(xiàn)集體行為，并在受損時自我修復(fù)。

Xenobots 2.0 的創(chuàng)造過程大致如下。

塔夫茨大學(xué)生物學(xué)家從非洲爪蟾胚胎中收集干細胞：

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讓它們自我組裝并長成球狀體：

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幾天后一些細胞經(jīng)分化產(chǎn)生纖毛（即以特定方式來回移動或旋轉(zhuǎn)的細小毛發(fā)狀突起）：

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值得關(guān)注的是，Xenobots 的移動基于細胞有節(jié)奏的收縮，而 Xenobots 2.0 的移動則基于纖毛。

為實現(xiàn)記憶功能，塔夫茨大學(xué)團隊通過一種名為 EosFP 的熒光報告蛋白來記錄信息。

EosFP 通常會發(fā)出綠光，但當暴露在 390nm 波長的光下時會發(fā)出紅光，通過這一原理，Xenobots 2.0 擁有了讀寫能力。

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自愈能力方面，Xenobots 2.0 可在 5 分鐘內(nèi)恢復(fù)嚴重的撕裂，即便撕裂長度達到了 Xenobots 2.0 長度的一半。治愈傷口之后，Xenobots 2.0 將恢復(fù)形狀，并像往常一樣繼續(xù)工作。

實際上，就在塔夫茨大學(xué)的科學(xué)家們創(chuàng)造物理有機體時，佛蒙特大學(xué)團隊則忙著通過 Deep Green 超級計算機在數(shù)十萬種隨機環(huán)境條件下進行模擬，其主要目的在于探究在形狀、運作方式（獨立運作還是集體運作）存在差異時，Xenobots 2.0 是否會表現(xiàn)出不同的行為。

在一項實驗中，Xenobots 2.0 可以成群結(jié)隊地工作，在掃過一個培養(yǎng)皿時可以收集相比 Xenobots 更多的氧化鐵微粒。此外 Xenobots 2.0 也可以覆蓋更大的表面，或在狹窄的毛細血管中移動。

研究表明，Xenobots 2.0 在諸如垃圾收集等任務(wù)上比 Xenobots 要快得多，也做得更好。

塔夫茨大學(xué)科學(xué)家 Doug Blackiston 表示：