活体机器人诞生,人类害怕的事情终究还是发生了丨近未来㉗

近未来

01-17 16:43

出生半个小时就学会了使用工具,一个小时掌握了整个空间站的结构,两个小时就将人类身体的构造了如指掌。

谁也没想到,它在两个小时前,还是一个单细胞生物。

这是来自电影《异星觉醒》剧情。这部片讲述了人类因为低估了一个来自外太空的单细胞生物,最终让地球陷入生死存亡的故事。

▲图片来自:《异星觉醒》

打开潘多拉魔盒的电影桥段并不少见,然而在生活中,这样的剧情也正在发生。

近日,由美国佛蒙特大学计算机科学家和塔夫茨大学生物学家所组成的团队,成功创造出人类史上首个活体机器人。

与传统的机器人不同,它不是由木材、塑料或者金属构成,它 100% 由活体细胞组成,但又受人工控制,是一种活的可编程的生物。

将这种生物带到世界上的研究人员表示:

这是一种全新的生命形式,它从来没有在地球上出现过。

首个活体机器人 Xenobots 就这样诞生了

大家都知道,创造一个机器人分两步,第一步,设计图纸。第二步,根据图纸制造出机器人。

制作 Xenobots 也是一样。

首先,研究团队利用超级计算机集群 Deep Green 通过一系列的排列组合,设计出了数千个不同的机器人形态,然后再尝试从中找出最佳方案。那么怎么才算最佳形态呢?

这个你说了不算,我说了也不算。所以研究团队就利用机器算法,模拟出了大自然当中的「自然选择」。

算法会给这些候选者设计不同的任务,例如谁能跑得最远、谁能「背」更多东西等。然后再让这些不同的机器人去一遍又一遍地模拟进行这些任务,表现好的留下继续改造升级,表现不好的直接下岗。

而且为了避免有漏网之鱼,利用计算机虚拟环境和真实物理环境之间存在差异的「漏洞」来获得好成绩,成绩优秀的机器人还会通过一个鲁棒性过滤器以及 build 过滤器。

具体是怎么过滤的,这里就不展开讲了。总而言之,经过两重过滤后,那些利用现实条件无法制造又或者在真实环境中无法保留的设计都会被筛选出来,确保留下来的都是高精尖的「种子选手」。

最终,在历时数个月,算法独立运行了上百次之后,研究团队最终获得了由 500 到 1000 个皮肤细胞和心脏细胞所构成的「最佳设计图纸」。

在确定了设计方案之后,研究团队就要考虑怎么把这个机器人真正地做出来了。

想要构造生物系统,首先要制造细胞单元,也就是这个活体机器人的原材料。

首先,研究团队收集了一些以皮实且容易繁殖著称的非洲爪蛙。当然,这些蛙身上的皮肤细胞和心脏细胞已经成型,难以改造,不能直接拿来用。

▲ 非洲爪蛙

所以研究人员要先从这些蛙的胚胎中获取胚胎干细胞,然后再通过诱导让这些干细胞进行体外分化,分化成皮肤细胞和心脏细胞。

在这里解释一下为什么是皮肤细胞以及心肌细胞。选择心肌细胞是因为需要机器人动起来,虽然肌肉细胞也会收缩,能动,但却需要受外界刺激,而只有心肌细胞是可以自主收缩的。至于表皮细胞则可以为心脏细胞的收缩提供弹性。

▲ 绿色为皮肤细胞,红色为心肌细胞

在获得了组装的材料之后,研究人员再通过显微镜、极小的镊子以及电极等工具,再按照图纸对这些细胞进行一系列的连接以及塑形。最终直径为 650 微米到 750 微米,100% 由活体细胞组成的四足机器人 Xenobots 就诞生了。

在下图中,上方的就是设计模型,下方的就是 Xenobots 本体。

这样看着,居然还有点可爱?

但除了可爱之外,它的本领,可能也超乎你想象。

旋转、跳跃,我不停歇…….

Xenobots 的研究团队将他们的研究成果发表了《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,根据论文显示,Xenobots 的诞生之后的表现,有些出乎了他们的预料。

原先,各个心肌细胞之间的收缩活动是不同步的,而且不带任何规律。但当这些细胞组合在一起,成为了一整个个体之后,奇怪的事出现了。

Xenobots 细胞和细胞之间自动开始了协同工作,互相协作,让 Xenobots 实现了连贯的移动前行。这个进度似乎出乎了研究人员的预料。

根据 DeepTech 向该研究团队的主导人 Josh Bongard 进行采访时,对方表示,研究团队将 Xenobots 进行了翻转,而在翻转过后,Xenobots 表现得就像一个被翻转过来的乌龟一样四脚朝天不再运动。

▲ 下方 Xenobots 被翻转后停止了前行

这个举动表明,Xenobots 的向前运动是人工设计的结果,而非来自偶然。

在实现了前行之后,研究团队还成功地让 Xenobots 实现了

绕圈、

推动物体。

甚至,他们还打算在 Xenobots 身上开个洞,让它学会 “运货”。

能够自我毁灭,也能够自我修复

上面说到运货,相信大家都能想到其中一个应用场景,那就是让机器人在人体内定点投送药物。

其实在此之前也有不少研究希望通过微型机器人将药物定点送达到人体的具体部位。

但这些「机器人先辈」都有一个共同的缺点,那就是不能完全被降解,也很容易让人体产生排斥反应。

对于这个问题,Xenobots 有着先天的优势,它能够被完全降解。

由于机器人不能「进食」,所以他们的运动只能靠细胞内原有的储能物质供能,一旦储能物质耗光,Xenobots 就会自我毁灭,留下的就是一坨有机细胞,很容易能被完全降解。

至于排斥反应的问题,在接受采访时, Josh Bongard 表示,直接用患者的细胞来组建机器人问题就能解决了。为此,他们下一步将尝试使用哺乳动物的细胞来创建机器人。

除了能够按照设计运动、能够受控自我毁灭之外,研究人员还发现了 Xenobots 的一个了不起的能力:自愈

研究人员尝试将 Xenobots,没过多久,它就开始进行自我愈合,再没过多久,它就恢复成了切开前的样子,继续不知疲倦地往前爬了。

▲ 被切开后自愈

利用上述这些特点,Xenobots 未来的应用场景十分广泛,除了能够在人体内投放药物以外,还能在动脉血管中刮除各种由血脂组成的堵塞物,也能大量投放在海洋当中清除海洋上的垃圾,甚至可以用来寻找危险化合物和放射性污染物。

从这方面看,这些机器人的未来,是可期的。

人类担心的事情还是发生了

除了广泛的应用场景之外,Xenobots 的出现,对于科研来说,也具有重大的意义。

从农业文明开始,人类就学会了操控有机生物,而随着基因技术的发展,改变甚至是直接复制一个有机生物体也已非一件新鲜事。

▲ 克隆猴

而这项研究的意义就在于,这是人类有史以来的第一次,从一开始就设计的生物机器人。这也为设计「可重构生物」提供更加广阔的方法。论文作者表示:

从基因上讲,它们是青蛙。我们用的是 100% 的青蛙 DNA,但这些机器人并不是青蛙。

这些青蛙细胞被打造成有趣的新的生物形式,与它们的原有解剖结构完全不同。构建活体活体机器人,是迈向破解所谓形态学代码的一小步,更是向着更深入了解生物的整体组织方式,及其计算和存储信息的方式迈出了一大步。

但这也有可能是一件可怕的事。

在对 Xenobots 报道时,外媒 Wired 对这种技术形容为:

毛骨悚然。

Wired 的担心,并非毫无道理。

正如开头所说,这是一种全新的生命形式,它们从来没有在地球上出现过。虽然说是机器人,但这本质上也还是一个生命体。

科幻电影从来不乏这样的桥段:人类取代了上帝的角色,捏造新物种。但创造出来的生命拥有了自己的意识思维,最终变得不受控制。

如果说这样的桥段就是人类打开潘多拉魔盒的话,那么这次的发现无疑就是打开这个魔盒关键性的一步。

该论文的共同作者 Sam Kriegman 坦诚,「活体机器人」在未来将很有可能具备神经系统和认知能力,所以在发现此类机器人后,制定完备的政策相当有必要。

斯坦福大学法学教授,生物医学伦理学研究中心指导委员会主席 Hank Greely 同意这种说法,他表示:

虽然现在的研究远没有创造出类似人的东西,但伦理的问题需要及早关注,社会也应该也应该更加关注该技术的发展。毕竟这很有可能是一个改变世界、改变人类社会的新发现。

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