機器人也能「造孩子」：全球首個活體機器人創(chuàng)生命繁衍新方式

它們將數(shù)百個游離細胞聚到一起，然后在一個「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」。

機器人一定要是金屬、塑料、木頭、混凝土這些材料做的嗎？去年，美國佛蒙特大學和塔夫茨大學的研究者給出了一個否定的答案。他們依靠進化算法，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」。

「Xenobot」不同于傳統(tǒng)機器人，也不是已知的某種動物物種，而是一種新型的、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。

Xenobots 能夠集體行動（轉圈圈）。

Xenobot 能夠推動外部對象。

Xenobot 在被切開后還能夠自動修復。

從一些設計中可以看到，這些機器人具有中空結構，這意味著他們可以攜帶一些物體（如****物）到指定區(qū)域，在醫(yī)療、生物學、化學等領域有很高的研究價值和前景。相關研究發(fā)表在去年的《美國科學院院刊》（PNAS）上。

但美中不足的是，初版的 Xenobot 是無法完成自我復制的。這也為后續(xù)的研究埋下了伏筆。

在新一期《美國科學院院刊》（PNAS）中，同一個研究團隊宣布：他們已經(jīng)攻克了這個難題，造出了有史以來第一批能夠自我復制的活體機器人。

該團隊發(fā)現(xiàn)，這些由計算機設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、動作都與父輩一樣的新 Xenobot。這些新的 Xenobot 會繼續(xù)出去尋找細胞，建立自己的副本，循環(huán)往復。

Xenobot 是世界上第一批能夠自我修復和自我復制的人工智能設計的生物機器人。「有了正確的設計，它們就會自發(fā)地進行自我復制，」研究的領導者之一、佛蒙特大學計算機科學家和機器人專家 Joshua Bongard 表示。

這項新的研究成果于 2021 年 11 月 29 日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。

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

走進未知的世界

能夠自我復制的 Xenobot 最初是由在佛蒙特大學的超級計算機上運行的 AI 程序「構思」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)哪種細胞配置能夠實現(xiàn)自我復制。

最終，AI 發(fā)現(xiàn)了一個成功的設計：一組形狀像 1980 年代街機游戲吃豆人的細胞。

該研究的共同作者、塔夫茨大學高級科學家 Douglas Blackiston 拿著 AI 給出的設計，使用微型電烙鐵和手術鉗手工雕刻出 Xenobots 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 Xenobots 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 Xenobabies。幾天后，Xenobabies 又成長為新的 Xenobots 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?！杆鼈儗⒃隍蝌降耐饷妫钃醪≡w并重新分配粘液，」塔夫茨大學艾倫探索中心的生物學教授兼主任、新研究的共同負責人 Michael Levin 說?！傅覀儗⑺鼈冎糜谝粋€新的環(huán)境中，讓它們有機會重新想象自身的多細胞性（multicellularity）?！?/p>

事實證明，它們「想象」出來的東西與皮膚大相徑庭?！冈谶^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制的所有方式，但這個方式是以前從未觀察到的，」Douglas Blackiston 說。

「這些細胞具有青蛙的基因組，但它們不會變成蝌蚪，而是利用它們的集體智慧和自身的可塑性，實現(xiàn)了一些令人震驚的事情?！乖谠缙诘膶嶒炛校茖W家們驚訝于 Xenobots 可以按照設計去完成簡單的任務?，F(xiàn)在，他們驚訝于這些由計算機設計的生物體會自發(fā)地復制?！肝覀儞碛型暾摹⑽锤淖兊那嗤芑蚪M，」Levin 說，「但我們并沒有從中讀出這些細胞可以共同完成這項新任務（將游離的細胞聚在一起并復制出下一代）。」

「這些青蛙細胞的復制方式與青蛙體內(nèi)細胞的復制方式大不相同?？茖W上已知的任何動物或植物都不會以這種方式復制，」新研究的主要作者、剛剛獲得博士學位的 Sam Kriegman 說。

由大約 3000 個細胞組成的 Xenobot 母體自身形成了一個球體。「它們可以繁殖，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，」Kriegman 說。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」復制中更有效的細胞。

「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，」佛蒙特大學工程與數(shù)學科學學院的教授 Bongard 說?！肝覀?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)了可以自我復制的 Xenobots。今后還會有什么？」

或許正如科學家們在《美國國家科學院院刊》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)?！?/p>

圖 1: 自發(fā)的運動學的自我復制。

如上圖所示，復制過程包括：

· 從早期青蛙囊胚中取出干細胞，將其解離并置于鹽水溶液中（A），在那里它們凝聚成包含約 3000 個細胞的球體。球體在 3 天后在其外表面上形成纖毛。

· 當產(chǎn)生的成熟細胞群被放置在直徑 60 毫米的圓盤（B）中的約 60000 個分離的干細胞中時，它們的集體運動會將一些細胞推到一起成堆（C 和 D），如果這個堆足夠大（至少 50 個細胞），即可發(fā)育成能夠游走的纖毛后代（E），如果提供額外的分離干細胞（F)，即可建立額外的后代。

· 簡而言之，祖先（p）構建了后代（o），然后后代亦成為祖先。這個過程可以通過扣出額外的解離細胞來中斷。

· 在目前已知的環(huán)境條件下，系統(tǒng)至多自然進行兩輪自我復制。停止 (α) 或復制 (1 ? α) 的概率取決于適合青蛙胚胎的溫度范圍、解離細胞的濃度、成熟生物的數(shù)量和隨機行為、溶液的粘度、培養(yǎng)皿的表面，以及污染概率。（比例尺 500μm）。

機遇與風險

與其他已知的生物繁殖形式相比，基于運動學的自我復制使得顯著擴大和縮小每一代的后代變得有可能。這表明，生物體或許能夠學會自動設計，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)量意義上的自我復制。

一部分人會覺得這項研究結果令人振奮，一部分人可能會對生物自我復制技術的概念感到擔憂甚至恐懼。但對于科學家團隊來說，下一步的目標是更深入的了解。

「我們正在努力了解這個特性：復制。世界和技術正在迅速變化，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。

一位 Xenobot 的關注者表示：「這是機器人學和生物學的交叉路口。」

當被問及 Xenobot 是否「智能」時，Blackiston 更愿意將其稱為可編程生物，智能則發(fā)生在設計和編程階段，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)了科學定義?！赣捎谶@些技術，定義正在走向消亡，」Bongard 說?！竂enobots 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?！?/p>

面對如今的眾多全球性挑戰(zhàn)，基于運動學的自我復制可以提供一種部署少量生物技術的手段，這些生物技術的設計目的是通過 AI 設計的****，使得復制過程實現(xiàn)最大程度地可控。即使可重構生物的表現(xiàn)目前還很初級，人工智能設計的方法已被證明能夠在未來引導它們走向更有用的形式。

參考鏈接：

https://www.forbes.com/sites/andreamorris/2021/11/29/ai-just-designed-the-worlds-first-robot-organism-that-can-make-babies/?sh=6358163b6345

https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html