去年，一個(gè)由生物學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)用青蛙細(xì)胞創(chuàng)造了一種名為 “Xenobots” 的新型微型自修復(fù)生物機(jī)器人 —— 這種生物機(jī)器可以四處移動(dòng)，推動(dòng)重物，甚至可以做出群體行為。
如今，該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上又成功開(kāi)發(fā)出了新一代 Xenobots—— 它們通過(guò)單細(xì)胞自動(dòng)組裝成身體，且組裝后不需要借助肌肉細(xì)胞就可以移動(dòng)，甚至還展示出了可存儲(chǔ)記憶的能力。新一代 Xenobots 機(jī)器人的移動(dòng)速度更快，可以在不同環(huán)境中移動(dòng)，且具有更長(zhǎng)的使用壽命。同時(shí)，它們?nèi)跃哂袌F(tuán)隊(duì)合作的能力，并且可以在受到損壞后進(jìn)行自我修復(fù)。
研究人員表示，這種多功能性為 Xenobots 機(jī)器人在更多環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)提供了可能。相關(guān)研究成果以 “A cellular platform for the development of synthetic living machines” 為題，于 3 月 31 日發(fā)表在 Science 子刊 Science Robotics 雜志上。
(來(lái)源：Science Robotics)
隨意穿梭，只因這種特殊 “腿”
據(jù)了解，研究人員在上一代 Xenobots 機(jī)器人中使用了人工 “修飾” 的心臟細(xì)胞，由于這些細(xì)胞的自然節(jié)律性收縮，Xenobots 機(jī)器人具有了可以四處移動(dòng)的能力。
相比之下，新一代 Xenobots 機(jī)器人采用了 “自下而上” 的方法，提取的青蛙干細(xì)胞自我組裝并生長(zhǎng)成球狀體，一些球狀體中的細(xì)胞會(huì)在幾天后分化產(chǎn)生纖毛狀的微小毛發(fā)突起，這些突起可以來(lái)回移動(dòng)或者以特定的方式旋轉(zhuǎn)。
論文通訊作者、塔夫茨大學(xué)(Tufts University)艾倫發(fā)現(xiàn)中主任、生物學(xué)教授 Michael Levin 表示：“我們正在見(jiàn)證細(xì)胞集群的可塑性。盡管這些青蛙具有完全正常的基因組，但我們用它們的細(xì)胞構(gòu)建了一個(gè)與默認(rèn)狀態(tài)截然不同的新‘身體’?！?/FONT>
同時(shí)，這些細(xì)胞還可以重新利用它們的遺傳編碼硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)新的功能，比如利用纖毛實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。更令人驚訝的是，它們不僅可以自發(fā)地承擔(dān)新的角色，還可以創(chuàng)造新的身體行為，而不需要對(duì)這些特征進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化選擇?！?/FONT>
圖 | Xenobots 通過(guò)纖毛移動(dòng)并展現(xiàn)出團(tuán)隊(duì)合作能力
為了測(cè)試單個(gè) Xenobots 在不同環(huán)境中移動(dòng)的能力，研究人員從完全開(kāi)放的領(lǐng)域到內(nèi)徑為 580nm 的受限毛細(xì)管，分別構(gòu)建了不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在所有情況下，除了一些 Xenobots 在狹窄的通道中受到了挑戰(zhàn)，Xenobots 都能夠在空間中移動(dòng)。
在某些特定環(huán)境下，Xenobots 可能會(huì)出現(xiàn)相反的移動(dòng)方向。原因在于，細(xì)胞內(nèi)和組織范圍的極性是在 Xenobots 創(chuàng)造的自組裝階段通過(guò)細(xì)胞重排建立的，不能在短時(shí)間尺度上作出改變。因此，研究中觀察到的快速變化可能是由于纖毛的實(shí)時(shí)控制，如單個(gè)多纖毛細(xì)胞的搏動(dòng)頻率的變化，而不是結(jié)構(gòu)極性的變化。
與許多使用纖毛進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的單細(xì)胞和多細(xì)胞生物一樣，這種探索行為(運(yùn)動(dòng)中的自發(fā)變化)可能會(huì)受到隨機(jī)內(nèi)部生理過(guò)程和環(huán)境中微變化的影響，比如水介質(zhì)中自生電流。
在試驗(yàn)中，當(dāng) “迷宮” 通道寬度減小至 2mm 時(shí)，Xenobots 會(huì)環(huán)繞迷宮的一個(gè)墻壁不斷地盤旋。根據(jù)觀察，大多數(shù) Xenobots 傾向于表現(xiàn)出橢圓形的運(yùn)動(dòng)模式，這種行為可能是由于墻壁抑制了橢圓形路徑的完成，這反過(guò)來(lái)又驅(qū)動(dòng)了最終的定向運(yùn)動(dòng)。
圖 | Xenobots 可以通過(guò)包括迷宮在內(nèi)的多種地形
另外，研究人員還將 Xenobots 放置于內(nèi)徑為 580nm 的 2cm 毛細(xì)管的一端。出乎意料的是，有 42% 被測(cè)試 Xenobots 能夠首尾相連地穿過(guò)毛細(xì)血管，所有表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)的個(gè)體都成功地穿過(guò)了整個(gè)毛細(xì)血管，沒(méi)有一個(gè)在兩端之間的中間位置停留或反向運(yùn)動(dòng)。
圖 | Xenobots 通過(guò)細(xì)小的毛細(xì)管
研究人員表示，這些數(shù)據(jù)足以表明 Xenobots 無(wú)需經(jīng)過(guò)專門的構(gòu)型來(lái)適應(yīng)給定的場(chǎng)景，就可以成功地穿越各種環(huán)境，這是許多軟體機(jī)器人應(yīng)用中的一個(gè)理想特征。
更強(qiáng)的收集搬運(yùn)功能
同時(shí)，研究人員還通過(guò)對(duì)不同形狀的 Xenobots 進(jìn)行建模，來(lái)確定它們?cè)趩为?dú)或 “組隊(duì)” 時(shí)是否會(huì)表現(xiàn)出不同的行為。
他們使用 UVM 先進(jìn)計(jì)算核心 Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)集群，在數(shù)十萬(wàn)個(gè)隨機(jī)環(huán)境條件下使用進(jìn)化算法進(jìn)行仿真計(jì)算。這些計(jì)算被用來(lái)識(shí)別最有可能成群結(jié)隊(duì)地在粒子場(chǎng)中收集大量碎片的 Xenobots。“超級(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)在所有可能的 Xenobots 群體的空間中進(jìn)行搜索，從而找到做得最好的群體。” Bongard 解釋道。
他們希望 Xenobots 可以在現(xiàn)實(shí)生活中做一些有意義的工作，比如清除海洋中的微塑料或土壤中污染物的生活工具。事實(shí)證明，新一代 Xenobots 在垃圾收集等任務(wù)上比上一代模型更快、更好，它們可以成群結(jié)隊(duì)地清掃培養(yǎng)皿，收集更大的氧化鐵微粒。
圖 | Xenobots 協(xié)同工作收集成堆的微小顆粒
此外，Xenobots 還可以覆蓋較大的平坦表面，或在狹窄的毛細(xì)血管中移動(dòng)。這些研究還表明，在未來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬可以優(yōu)化生物機(jī)器人的附加功能，以適應(yīng)更復(fù)雜的行為。
還具備記憶功能?!
機(jī)器人技術(shù)的核心特征是可以記錄信息并使用這些信息來(lái)修改機(jī)器人的行動(dòng)和行為。為了證實(shí) Xenobots 是否具有這一功能，研究人員設(shè)計(jì)了一種具有讀寫功能的 Xenobots，他們使用 EosFP 的熒光報(bào)告蛋白來(lái)記錄這些信息。這種蛋白通常會(huì)發(fā)出綠色的光，然而當(dāng)暴露在 390nm 波長(zhǎng)的光下時(shí)，這種蛋白質(zhì)卻可以發(fā)出紅色的光。
研究人員在青蛙胚胎的細(xì)胞中注射了編碼 EosFP 蛋白的信使 RNA，通過(guò)這些干細(xì)胞制造的 Xenobots 就具備了內(nèi)置的熒光開(kāi)關(guān)，從而可以記錄在 390nm 左右的藍(lán)光曝光。
為了測(cè)試 Xenobots 的記憶功能，研究人員讓 10 個(gè) Xenobots 在一個(gè)表面上移動(dòng)，這個(gè)表面上有一個(gè)點(diǎn)被 390nm 光束照亮。兩個(gè)小時(shí)后，他們發(fā)現(xiàn)有三個(gè)機(jī)器人發(fā)出了紅光，其余的則保持原來(lái)的綠色，有效記錄了機(jī)器人的 “旅行經(jīng)歷”。
圖 | Xenobots 可以通過(guò)改變顏色來(lái)記錄信息
未來(lái)，這種分子記憶原理的證明可以被擴(kuò)展到探測(cè)和記錄光、放射性污染、化學(xué)污染物、藥物以及疾病。記憶功能的進(jìn)一步設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)記錄多個(gè)刺激，允許機(jī)器人在刺激時(shí)釋放化合物，或者根據(jù)對(duì)刺激的感覺(jué)改變行為。
Bongard 說(shuō)：“當(dāng)我們?yōu)闄C(jī)器人賦予更多功能時(shí)，我們可以利用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)設(shè)計(jì)出具有更復(fù)雜的行為和執(zhí)行更多復(fù)雜任務(wù)的能力。我們不僅可以報(bào)告其環(huán)境中的狀況，還可以修改和修復(fù)其環(huán)境中的狀況。”
甚至還具有自修復(fù)能力
更令人意外的是，新一代 Xenobots 還非常擅長(zhǎng) “愈合” 它們的傷口，可以在受傷 5 分鐘之內(nèi)使嚴(yán)重全長(zhǎng)撕裂傷愈合一半的厚度。實(shí)驗(yàn)中，所有受傷的機(jī)器人最終都治愈了它們的傷口，恢復(fù)了它們?cè)械男螤睿⑾褚郧耙粯永^續(xù)工作。
圖 | Xenobots 可進(jìn)行自我修復(fù)
研究人員表示，生物機(jī)器人的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是新陳代謝。與金屬和塑料機(jī)器人不同，生物機(jī)器人中的細(xì)胞可以吸收和分解化學(xué)物質(zhì)，并像合成和排出蛋白質(zhì)等小工廠一樣工作。合成生物學(xué)的整個(gè)領(lǐng)域之前主要集中在對(duì)單細(xì)胞生物進(jìn)行重新編程以產(chǎn)生有用的分子，如今則可以在這些多細(xì)胞生物中加以利用。
與上一代一樣，升級(jí)后的 Xenobot 機(jī)器人可以在胚胎時(shí)期的能量存儲(chǔ)庫(kù)中存活長(zhǎng)達(dá) 10 天，并且在沒(méi)有額外能源的情況下運(yùn)行任務(wù)。但是，如果將它們保存在營(yíng)養(yǎng) “湯” 中，它們也可以全速運(yùn)行好幾個(gè)月。
之前，Levin 就曾在 TED 演講中介紹了一段關(guān)于生物機(jī)器人的精彩描述，同時(shí)他還敘述了我們可以從這些生物機(jī)器人身上學(xué)到什么。他不僅描述了微型生物機(jī)器人在環(huán)境或潛在的治療應(yīng)用中執(zhí)行有效任務(wù)的巨大潛力，而且還指出了這項(xiàng)研究最有價(jià)值的好處，使用機(jī)器人了解單個(gè)細(xì)胞如何聚集、交流和專門化創(chuàng)建更大的有機(jī)體。這是一個(gè)新的模型系統(tǒng)，可以為再生醫(yī)學(xué)提供基礎(chǔ)。
研究人員表示，Xenobots 及其后續(xù)的替代版本還有望提供有關(guān)古老的單細(xì)胞生物如何進(jìn)化為多細(xì)胞生物的信息，以及生物學(xué)生物中信息處理、決策和認(rèn)知的起源。
參考資料：
https://now.tufts.edu/news-releases/scientists-create-next-generation-living-robots
http://dx.doi.org/10.1126/scirobotics.abf1571
https://www.ted.com/talks/michael_levin_the_electrical_blueprints_that_orchestrate_life#t-493
文章來(lái)源于學(xué)術(shù)頭條 ，作者陽(yáng)光
（轉(zhuǎn)載）
