來自美國塔弗茨大學(xué)(Tufts University)和佛蒙特大學(xué)(University of Vermont，UVM)的研發(fā)團隊成功開發(fā)了第二代微型生物機器人 “Xenobots”，同樣基于非洲爪蟾細(xì)胞構(gòu)建。
但與第一代相比，第二代 Xenobots 不僅能實現(xiàn)單細(xì)胞的自主組合，它的移速還更快，信息讀寫功能和自愈能力也大大增強。
目前，這一最新研究成果已于美國時間 3 月 31 日發(fā)表在《科學(xué) · 機器人學(xué)(Science Robotics)》期刊上，論文題目為《一個用于開發(fā)合成生命機器的細(xì)胞平臺(A cellular platform for the development of synthetic living machines)》。
早在去年 1 月，該團隊發(fā)布的全球首個活體機器人 Xenobots 就已登上頂級期刊《美國科學(xué)院院報(PNAS)》封面，該研究提出并實現(xiàn)了用計算機設(shè)計生物體的概念，用生物材料代替金屬、塑料等人工材料來構(gòu)建機器人。
一、通過青蛙胚胎干細(xì)胞分化構(gòu)建生物體
從細(xì)胞構(gòu)建上看，第一代 Xenobots 采用了 “自上而下”的構(gòu)造方式，通過手工重組青蛙皮膚和心臟細(xì)胞，使心臟細(xì)胞在底層收縮來實現(xiàn)機器人的移動。
相比之下，第二代 Xenobots 則采用 “自下而上”的方法進行構(gòu)造，由單個的細(xì)胞自主形成生物體。塔夫茨大學(xué)生物學(xué)家用非洲的一種青蛙——非洲爪蟾(Xenopus laevis，這也是 Xenobots 名字的由來)的胚胎干細(xì)胞進行生長和增殖，幾天后一些干細(xì)胞就分化形成了纖毛。這些能移動、旋轉(zhuǎn)的纖毛充當(dāng)了第二代 Xenobots 的 “腿”，使它無需肌肉細(xì)胞就能快速移動。
由于構(gòu)造升級，第二代 Xenobots 的移速更快，壽命更長，也能更好地適應(yīng)各種環(huán)境。
“我們見證了細(xì)胞組織非凡的可塑性——它們違背常識，構(gòu)建了一個新的青蛙‘身體’，并且這只青蛙的基因組完全正常。” 塔夫茨大學(xué)著名生物學(xué)教授 Michael Levin 說。“在正常的青蛙胚胎中，細(xì)胞增殖分化形成蝌蚪。而現(xiàn)在我們看到細(xì)胞可以重新分化，形成纖毛來實現(xiàn)運動功能。令人驚訝的是，細(xì)胞可以自發(fā)承擔(dān)新的角色，創(chuàng)造新的身體和行為，而不需要長時間的進化選擇。”
“在某種程度上，第二代 Xenobots 與傳統(tǒng)機器人的構(gòu)造很相似，我們只是用細(xì)胞和組織來代替人造組件，以構(gòu)建形狀和創(chuàng)造可預(yù)測的行為。”資深科學(xué)家 Doug Blackiston 說。“在生物學(xué)上，這種方法更好地解釋了細(xì)胞在發(fā)育過程中如何相互作用，以及我們?nèi)绾胃玫乜刂七@些作用。”
二、新型的 Xenobots 或可用于收集微粒
這個團隊由計算機科學(xué)家和機器人專家 Josh Bongard 領(lǐng)導(dǎo)，通過先進計算核的 Deep Green 超級計算機集群，在數(shù)十萬隨機環(huán)境條件下運行進化算法，以測試不同形狀、單獨或群體的 Xenobots 是否會表現(xiàn)出不同的行為，并分辨哪些 Xenobots 群體最適合在粒子場中共同工作，收集大量碎片。
結(jié)果表明，與第一代 Xenobots 相比，第二代 Xenobots 在完成垃圾收集等任務(wù)的表現(xiàn)更好。一方面，第二代 Xenobots 能成群結(jié)隊地掃過培養(yǎng)皿，收集大堆的氧化鐵微粒;另一方面，它們既可以在大型平面上工作，也可以穿過狹窄的毛細(xì)血管。
不僅如此，他們的研究表明，未來硅模擬可以優(yōu)化生物機器人的附加功能，以生成更復(fù)雜的行為。
“盡管目前第二代 Xenobots 的任務(wù)都很簡單，但我們的最終目標(biāo)是開發(fā)一種新型的生活工具，讓它們做更多實際有用的工作，例如清理海洋中的微塑料或土壤污染物。”Bongard 說。
三、通過熒光報告蛋白構(gòu)建讀寫功能
機器人技術(shù)最大的特征之一是能夠記錄信息，并根據(jù)這些信息控制機器人的行為。
在這一方面，研究團隊通過一種名為 EosFP 的熒光報告蛋白來記錄信息，這種蛋白通常情況下會發(fā)出綠光，但在波長 390nm 的光線照射下會發(fā)出紅光，以此將第二代 Xenobots 設(shè)計成一個擁有讀寫能力的機器人。
具體來看，研究人員在青蛙胚胎細(xì)胞內(nèi)注射了編碼 EosFP 蛋白的信使 RNA，并分離出干細(xì)胞形成第二代 Xenobots。成型后的 Xenobots 會內(nèi)置一個熒光開關(guān)，能記錄波長 390nm 左右藍光照射的情況。
在實際測試中，研究人員讓 10 個第二代 Xenobots 在一個表面上游動，同時該表面中有一個被波長 390nm 光束照亮的點。兩小時后，有 3 個機器人發(fā)出紅光，其余則保持綠色。這表明，這次 “旅程記憶”被有效地記錄了下來。
研究人員認(rèn)為，這種分子記憶原理在未來也許可用于探測和記錄光污染、放射性污染、化學(xué)污染、藥物或疾病。同時，研究人員針對 Xenobots 的記錄系統(tǒng)還給出了不同的優(yōu)化路徑，例如讓機器人記錄多種刺激(需要添加更多信息位)，并在刺激下釋放化合物，或根據(jù)不同刺激的感覺改變行為。
“我們賦予機器人更多能力的同時，可以利用計算機模擬設(shè)計出更復(fù)雜的行為，讓它們執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。”Bongard 談到，他們設(shè)計的機器人不僅可以報告所處環(huán)境的狀況，還可以修改和修復(fù)所處環(huán)境的狀況。
四、生物材料愈合代謝能力強，5 分鐘自愈嚴(yán)重撕裂傷
“我們希望能將許多生物材料的特性應(yīng)用在機器人上，例如用細(xì)胞來組成傳感器、馬達、通信和計算網(wǎng)絡(luò)，以及信息存儲設(shè)備。”Levin 說。
在 Levin 看來，愈合是生物體的自然特征，傳統(tǒng)的金屬或塑料機器人很難做到。但第二代 Xenobots 及未來的生物機器人可以隨著細(xì)胞的生長和成熟，來構(gòu)建自己的身體，并在受到損傷時進行自我修復(fù)。
據(jù)了解，第二代 Xenobots 的愈合能力很強，5 分鐘內(nèi)就可以愈合嚴(yán)重的撕裂傷，傷口將近是它們身體厚度的一半。在實際測試中，所有受傷的機器人都能恢復(fù)如初，并可以繼續(xù)工作。
不僅如此，第二代 Xenobots 還可以進行新陳代謝。與金屬或塑料機器人不同，第二代 Xenobots 的細(xì)胞可以吸收和分解化學(xué)物質(zhì)，并像小型工廠一樣合成、排出化學(xué)物質(zhì)和蛋白質(zhì)。
同時，以往主要研究單細(xì)胞生物的合成生物學(xué)已經(jīng)能研究這些多細(xì)胞生物，或可對它們重新編程以產(chǎn)生有用分子。
與第一代 Xenobots 類似，第二代 Xenobots 可以靠胚胎時期的能量儲備存活 10 天，并在沒有額外能源的情況下執(zhí)行任務(wù)。在持續(xù)能量供應(yīng)的情況下，它們可以全速運行好幾個月。
結(jié)語：生物技術(shù)與機器人技術(shù)互惠，前景可期
活體機器人的研發(fā)技術(shù)不斷迎來突破，而這個領(lǐng)域未來的發(fā)展將與生物技術(shù)密不可分。
正如 Michael Levin 在 TED 演講中提到的，第二代 Xenobots 在執(zhí)行任務(wù)或醫(yī)療方面潛力非凡，而這項研究的價值就在于，用機器人研究來了解單個細(xì)胞如何聚集在、交流、創(chuàng)建生物體。這是一種新的模型系統(tǒng)，或許可以基于這個系統(tǒng)進行一些再生醫(yī)學(xué)方面的研究。
認(rèn)識到這項技術(shù)的前景之后，塔夫茨大學(xué)和佛蒙特大學(xué)成立了計算機設(shè)計生物研究所(ICDO)，并將在未來幾個月正式啟動。該研究所將匯集各大學(xué)和外部資源，創(chuàng)造更高級、能力更強的生物機器人。
在未來的研究中，第二代 Xenobots 及更高版本的活體機器人或許可以從生物領(lǐng)域獲得更多啟發(fā)。
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