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全球首个「自我复制」的活体机器人诞生,科学家的下一个目标是什么?

我在思考中 · 雷锋网 2021-12-06 17425
摘要:它们将数百个游离细胞聚到一起,然后在一个「吃豆人」形状的「嘴巴」中繁衍「下一代」。

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作者 | 杏花
编辑 | 青暮

活久见!全球首个活体机器人创生命繁衍新方式!

大家印象中的机器人是不是还停留在铜头铁额的机械体?

亦或是由钢筋混凝土或者粗重木头制成的庞然大物?

这不,科学家马上安排了一批活体机器人,划重点,全球首批!

而且,这些机器人还会自我繁殖…

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这是由来自佛蒙特大学、塔夫茨大学以及哈佛大学Wyss研究所的科学家们发现的一种全新生物繁殖形式,并创造了有史以来第一个「自我复制」的活体机器人。

目前,这项研究成果已于2021年11月29日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

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论文链接:https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

去年,这批学者就依靠进化算法,利用青蛙的表皮细胞和心肌细胞造出了全球首批活体机器人,并将其命名为「Xenobot」。

不同于传统机器人,也不是已知的某种动物物种,「Xenobot」是一种新型的、具有生命的、可编程的生物。而且,它们可以自主移动,即使被切开也能够自动愈合。

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自主移动的Xenobot

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自动修复的Xenobot

但在当时,第一代「Xenobot」还无法完成自我复制。

如今,研究团队已经攻克这个难题,造出了有史以来第一批能够自我复制的活体机器人。

该团队发现,这些由计算机设计和手工组装的生物体能够游到他们的小盘子里,找到数百个单细胞并将其聚在一起,然后在一个「吃豆人」形状的「嘴巴」中组装出「下一代」Xenobot。

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几天后,这些「下一代」就会变成外观、行动都与父辈一样的新一代Xenobot。这些新的Xenobot还会继续出去寻找细胞,建立自己的副本,循环往复,生生不息…

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Xenobot如何自我复制?

Xenobot本身是由数千个非洲角蟾的胚胎细胞组成的一个细胞团。如果是正常的繁衍过程,这些胚胎细胞最终会发育成蝌蚪的不同部分。

但是,来自美国佛蒙特大学和塔弗茨大学团队,将原始胚胎细胞切割出不同部分,并按照计算机模拟出的结构进行重建,人为「生产」出了这种新的生命。

该研究的合著者、塔夫茨大学的资深科学家、Douglas Blackiston、表示:长期以来,人们一直认为我们已经找到了生命可以繁殖或复制的所有方式。但这次我们的发现是之前从未见过的。

这些由计算机设计出来的细胞集合结构虽然拥有青蛙的基因组,但是,它们却没有选择成为蝌蚪。而是以一种看上去像是集体智慧的举动,做出了令人震惊的事情。

比如,自我复制。已经发育成熟的细胞群处在一群零散胚胎细胞中时,会自发把这些离散细胞堆在一起。

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如果这个细胞团足够大,这些细胞群就能发育成会游泳、带纤毛的后代。只是,这个过程不确定性较大。

温度范围、胚胎细胞的密集度、成熟细胞群的数量和随机行为、溶液的粘度、培养皿的几何形状表面,以及污染等等都会影响复制。

所以初代Xenobot的自我复制,最多只能持续两轮。如何扩大这种复制轮次?这时AI算法就派上用场了。

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AI如何扩大复制轮次?

既然球状结构的细胞团不利于繁衍,那是不是可以试试其他形状?所以要如何突破这个难题呢?

能够自我复制的Xenobot最初是由在佛蒙特大学的超级计算机上运行的 AI 程序构思出来的。研究者运行了一种能够在模拟中测试数十亿种生物体型的进化算法,目标是发现哪种细胞配置能够实现自我复制。

最终,AI发现了一个成功的设计:一组形状像 1980 年代街机游戏吃豆人的细胞。在「吃豆人」形状下,Xenobots的自我复制系统寿命,由最多2代增加到了4代。

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该研究的共同作者、塔夫茨大学高级科学家Douglas Blackiston拿着AI给出的设计,使用微型电烙铁和手术钳手工雕刻出Xenobot母体,它由3000个青蛙细胞组成,能够在培养皿中游走。

随后,添加到培养皿中的青蛙细胞为Xenobot母体提供了原材料,它们用这些材料在吃豆人形状的「嘴巴」中造出新的Xenobot。几天后,新Xenobot又成长为新的Xenobot母体。通过不断往培养皿中添加青蛙细胞原料,这种自我复制过程可以一代又一代地继续下去。

在非洲爪蟾蛙中,这些胚胎细胞会发育成皮肤,附在在蝌蚪的外面,从而阻挡病原体并重新分配粘液。但研究团队将这些细胞置于一个新的环境中,让它们有机会重新想象自身的多细胞性。

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事实证明,只想成为皮肤的细胞不是好细胞。

“在过去的很长一段时间,人类一直认为已经找到了生命繁殖或复制的所有方式,但这个方式是以前从未观察到的,”Douglas Blackiston表示。

由大约3000个细胞组成的Xenobot母体自身形成了一个球体。这些球体可以繁殖,但之后系统通常会消亡。实际上,让系统持续繁殖是非常困难的,但借助在超级计算机集群上运行的AI程序,进化算法能够在模拟环境中测试数十亿种体型,比如三角形、正方形、金字塔、海星,用来找到在基于运动的「运动学」复制中更有效的细胞。

“我们发现生物体或生命系统内存在一个此前未知的空间,这是一个广阔的空间,”佛蒙特大学工程与数学科学学院的教授Bongard说。那么,“我们如何去探索那个空间?我们发现了会行走的Xenobots,我们发现了会游泳的 Xenobots。在这项研究中,我们发现了可以自我复制的Xenobots。今后还会有什么?”

或许正如科学家们在《美国国家科学院院刊》研究中所写的那样:生命在表面之下隐藏着令人惊讶的行为,等待被发现。

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下一个目标是什么?

与其他已知的生物繁殖形式相比,基于运动学的自我复制使得显著扩大和缩小每一代的后代变得有可能。这表明,生物体或许能够学会自动设计,以产生不同大小、形状和有用行为的后代,而不仅仅是数量意义上的自我复制。

因此,团队的下一步的目标是加快人们从认识问题到给出解决方案的转变速度,比如利用活体机器人把塑料微粒从下水道中拉出来,或者制造新的药物。

“我们正在努力了解这个特性:复制。世界和技术正在迅速变化,对于整个社会来说,研究和了解它是如何运作的很重要,”Bongard 说。

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研究团队看到了活体机器人朝着再生医学发展的前景。

Levin解释道:如果我们知道如何告诉细胞集合做我们想让它们做的事情,最终,那就是再生医学,比如创伤性损伤、出生缺陷、癌症和衰老的解决方案。这些问题的存在是因为我们不知道们不知道如何预测和控制细胞群的构建。

诚如研究人员所说,「在生命的表面之下,还隐藏着更多令人惊讶的行为,等待我们去发现。」

然而有些人给出了不同的解读,比如一些网友,可能对可自我复制的生物技术的概念感到担忧,甚至感到恐惧:人造生命、集体智慧、自我复制。所以,下一步是什么?会走向失控毁灭吗?

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而要回答这个问题,首先要明确Xenobot是否具备智能?

当被问及Xenobot 是否智能时,Blackiston表示更愿意将其称为可编程生物,智能则发生在设计和编程阶段,而不是在实际的Xenobot中。“我的观点是它们并不智能”Blackiston 说。但他也认同,这项工作挑战了科学定义。

“由于这些技术,定义正在走向消亡”,Bongard补充道——Xenobot是AI的产物,而AI本身正在帮助人类消灭人类原本对智能的标准定义。

所以,对于这项研究,仁者见仁,智者见智,不必太纠结于目前仅有的研究成果,毕竟历史已证明,科技发展从长远来看还是造福人类的。

参考链接:
https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118
https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
https://wyss.harvard.edu/news/team-builds-first-living-robots-that-can-reproduce/

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