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活久見！全球首個活體機器人創(chuàng)生命繁衍新方式！

大家印象中的機器人是不是還停留在銅頭鐵額的機械體？

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器人，劃重點，全球首批！

而且，這些機器人還會自我繁殖......

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，并創(chuàng)造了有史以來第一個「自我復(fù)制」的活體機器人。

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》（PNAS）上。

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

去年，這批學(xué)者就依靠進化算法，利用青蛙的表皮細胞和心肌細胞造出了全球首批活體機器人，并將其命名為「Xenobot」。

不同于傳統(tǒng)機器人，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，它們可以自主移動，即使被切開也能夠自動愈合。

自主移動的Xenobot

自動修復(fù)的Xenobot

但在當時，第一代「Xenobot」還無法完成自我復(fù)制。

如今，研究團隊已經(jīng)攻克這個難題，造出了有史以來第一批能夠自我復(fù)制的活體機器人。

該團隊發(fā)現(xiàn)，這些由計算機設(shè)計和手工組裝的生物體能夠游到他們的小盤子里，找到數(shù)百個單細胞并將其聚在一起，然后在一個「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」Xenobot。

幾天后，這些「下一代」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)千個非洲角蟾的胚胎細胞組成的一個細胞團。如果是正常的繁衍過程，這些胚胎細胞最終會發(fā)育成蝌蚪的不同部分。

但是，來自美國佛蒙特大學(xué)和塔弗茨大學(xué)團隊，將原始胚胎細胞切割出不同部分，并按照計算機模擬出的結(jié)構(gòu)進行重建，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)的資深科學(xué)家、Douglas Blackiston、表示：長期以來，人們一直認為我們已經(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。

這些由計算機設(shè)計出來的細胞集合結(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，做出了令人震驚的事情。

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

如果這個細胞團足夠大，這些細胞群就能發(fā)育成會游泳、帶纖毛的后代。只是，這個過程不確定性較大。

溫度范圍、胚胎細胞的密集度、成熟細胞群的數(shù)量和隨機行為、溶液的粘度、培養(yǎng)皿的幾何形狀表面，以及污染等等都會影響復(fù)制。

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

2. AI如何擴大復(fù)制輪次？

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

能夠自我復(fù)制的Xenobot最初是由在佛蒙特大學(xué)的超級計算機上運行的 AI 程序構(gòu)思出來的。研究者運行了一種能夠在模擬中測試數(shù)十億種生物體型的進化算法，目標是發(fā)現(xiàn)哪種細胞配置能夠?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 年代街機游戲吃豆人的細胞。在「吃豆人」形狀下，Xenobots的自我復(fù)制系統(tǒng)壽命，由最多2代增加到了4代。

該研究的共同作者、塔夫茨大學(xué)高級科學(xué)家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，這些胚胎細胞會發(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。但研究團隊將這些細胞置于一個新的環(huán)境中，讓它們有機會重新想象自身的多細胞性。

事實證明，只想成為皮膚的細胞不是好細胞。

“在過去的很長一段時間，人類一直認為已經(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，”Douglas Blackiston表示。

由大約3000個細胞組成的Xenobot母體自身形成了一個球體。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集群上運行的AI程序，進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、海星，用來找到在基于運動的「運動學(xué)」復(fù)制中更有效的細胞。

“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)院的教授Bongard說。那么，“我們?nèi)绾稳ヌ剿髂莻€空間？我們發(fā)現(xiàn)了會行走的Xenobots，我們發(fā)現(xiàn)了會游泳的 Xenobots。在這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)了可以自我復(fù)制的Xenobots。今后還會有什么？”

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：生命在表面之下隱藏著令人驚訝的行為，等待被發(fā)現(xiàn)。

3. 下一個目標是什么？

與其他已知的生物繁殖形式相比，基于運動學(xué)的自我復(fù)制使得顯著擴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。

因此，團隊的下一步的目標是加快人們從認識問題到給出解決方案的轉(zhuǎn)變速度，比如利用活體機器人把塑料微粒從下水道中拉出來，或者制造新的藥物。

“我們正在努力了解這個特性：復(fù)制。世界和技術(shù)正在迅速變化，對于整個社會來說，研究和了解它是如何運作的很重要，”Bongard 說。

研究團隊看到了活體機器人朝著再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前景。

Levin解釋道：如果我們知道如何告訴細胞集合做我們想讓它們做的事情，最終，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為我們不知道們不知道如何預(yù)測和控制細胞群的構(gòu)建。

誠如研究人員所說，「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)?！?/p>

然而有些人給出了不同的解讀，比如一些網(wǎng)友，可能對可自我復(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？會走向失控毀滅嗎？

而要回答這個問題，首先要明確Xenobot是否具備智能？

當被問及Xenobot 是否智能時，Blackiston表示更愿意將其稱為可編程生物，智能則發(fā)生在設(shè)計和編程階段，而不是在實際的Xenobot中。“我的觀點是它們并不智能”Blackiston 說。但他也認同，這項工作挑戰(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智能的標準定義。

所以，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)展從長遠來看還是造福人類的。