全球首個活體機器人誕生:程式化、會自癒、由超級電腦設計

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 15 日 15:00 | 分類 機器人 , 生物科技 Telegram share ! follow us in feedly


科學家創造了世界第一個由青蛙幹細胞生成的有機自癒機器人。

美國時間 1 月 13 日,佛蒙特大學(University of Vermont)官網發表新聞稿,宣稱佛蒙特大學與塔夫茨大學(Tufts University)的研究團隊共同研究,利用非洲爪蟾早期胚胎的皮膚細胞和心臟細胞,創造出首個活體機器人「xenobots」(異種機器人)。研究發表在 13 日的學術期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

xenobots 是以非洲爪蛙的名字「Xenopus laevis」命名,不到 1 公釐寬的 xenobots 可向目標行動,也可拿起物體(比如需要運送到患者體內特定位置的藥物),受傷後還可自癒傷口。

佛蒙特大學電腦科學家、機器人專家 Joshua Bongard 是這項研究的聯合負責人,他表示:

它們既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種。這是新的人工製品──活的、程式化的有機體。

xenobots 由佛蒙特大學的超級電腦設計,然後由塔夫茨大學生物學家組裝和測試。塔夫茨大學再生與發育生物學中心主任 Michael Levin 說:

不難想像,這些機器人有很多其他機器做不到的應用,比如尋找有害化合物或放射性污染物、在海中收集微塑膠、在動脈裡穿行,清除牙菌斑等。

「自訂」的生命系統

眾所周知,自從農業開始發展,人類就一直為自身利益操縱生物,基因編輯也越來越普遍。過去幾年,人類透過模仿其他動物,製造出一些人造生物,但研究小組表示,這是有史以來第一次「完全從頭開始設計的生物機器」。

大體上,xenobots 的創造過程有兩步。

第一步,利用佛蒙特大學的佛蒙特進階計算核心(Vermont Advanced Computing Core)Deep Green 超級電腦集群,研究團隊(包括第一作者和博士生 Sam Kriegman)花了幾個月,用進化演算法為新生命形式設計了上千個草圖。

為完成工作(比如朝一個方向行動),電腦會一遍遍將幾百個模擬細胞重新組合成無數形式或身體形狀。隨著程式執行──由單隻青蛙皮膚和心臟細胞能做什麼的生物物理學基本規則驅動──更成功的模擬生物儲存、最佳化,失敗的則拋棄。獨立執行演算法 100 次後,科學家選出最滿意的設計,用於下一步研究。

第二步,Michael Levin 帶領的塔夫茨大學團隊和顯微外科醫生 Douglas Blackiston 要做的就是關鍵一步──將電腦設計變成現實。

他們先從非洲蛙種非洲爪蟾的胚胎收集幹細胞,分離成單個細胞並孵育,然後用小鑷子和更小的電極,將細胞切割並在顯微鏡下連線,使之接近電腦指定的設計。

這樣,這些細胞組裝成自然界從未見過的形體,隨後它們便開始一起工作了。經過上述作業,皮膚細胞形成更被動的架構,而心肌細胞原本無序的收縮則在電腦設計指導,在自組織模式的幫助下,產生有序向前運動,這也就是機器人可自行行動的關鍵。

當然,研究過程難免有些意想不到的結果,但有時會促成新發現。

研究者注意到,可重組的有機體能以連貫方式行動,且在胚胎能量儲存的驅動下,用數天甚至數週探索水環境,但反過來時卻失敗了,就像甲蟲翻肚後翻不回來。

後來實驗表明,成群 xenobots 會繞圈行動,並集體自發地把一個小球推到中心位置。其他 xenobots 則在中間挖個洞,進而減少阻力。模擬時科學家發現把這個洞當成袋子,它們就能成功攜帶物體。

佛蒙特大學電腦科學與複雜系統中心教授 Josh Bongard 表示:

這是電腦設計的生物向智慧藥物輸送領域邁出的一步。

「有生命」的技術

我們知道,許多機器、硬體產品等都是由鋼、混凝土或塑膠等製成,這固然有道理(比如品質有保證),但有時也難免會造成生態和人類健康問題──日益嚴重的海洋塑膠污染。

相比之下,Josh Bongard 表示:

xenobots 有自我再生修復機制,且當它們停止工作、死亡時,通常也不會對環境帶來破壞,完全可生物降解。7 天後當它們完成工作,就只是死皮細胞。

▲ Josh Bongard。

筆電固然強大,但要是摔成兩半,可能就無法工作了,但科學家把 xenobots 切成兩半後,發現它們可以自癒,然後繼續前進,這是傳統機器無法做到的。

破解密碼

研究者也表示,對細胞交流、連線潛力的研究,理解已深入至計算科學和生命。

Michael Levin 說:

目前重要的問題便是理解決定形式和功能的演算法。基因組能編碼蛋白質,但硬體如何讓細胞在各種不同的條件下合作,進行功能性解剖,這還等著我們發現。

同時,為了使有機體發展並有用,有機計算一直在有機體的細胞內和細胞間進行,而不僅在神經元。這些幾何特徴是透過生物電學、生物化學和生物力學形成,正如 Michael Levin 所說:

這些過程在 DNA 指定的硬體執行,是可重新配置的,也使新生命形式成為可能。

如今,許多人擔心技術的飛速發展和越來越複雜的生物作業會帶來負面影響。對此,Michael Levin 表示:

這種恐懼不是沒有道理,當我們開始創造連自己都不理解的複雜系統,結果可能很難想像。但如果人類未來要生存下去,就需要更理解複雜的性質是以何種方式從簡單的規則產生。大部分科學都集中在控制「低階規則」,我們更需要了解「進階規則」。

Michael Levin 認為,這項研究對於解決人們心中的恐懼有積極意義,這也是研究團隊的意外收穫。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;圖片來源:佛蒙特大學