人類對于制造新的生物機(jī)器人一直情有獨鐘，因為這或許將解決細(xì)胞衰老、肢體重生的問題或者是制造新生命。

 

　　早在18世紀(jì)，科學(xué)家就意識到向死去的動物施加電流可能會使它們的肌肉抽搐，這像是新生的一種方式，隨后這種想法就迅速流行了起來，電也被字面上寫成“生命之火花”，這種理論如此讓人興奮，以至于后續(xù)還進(jìn)入了文學(xué)和藝術(shù)領(lǐng)域，例如瑪麗·雪萊（Mary Shelley）1818年的小說《科學(xué)怪人》（Frankenstein）就是一個例子，雷電風(fēng)暴激發(fā)了年輕的科學(xué)怪人弗蘭肯斯坦博士將死者復(fù)活。但是事實證明，對生物電信號的實際科學(xué)研究極具挑戰(zhàn)性，人類一直以來都還不具備新生的條件，直到最近這個“ xenobots”生物機(jī)器人的出現(xiàn)。這是一種全新的人造生命。
 

　　左側(cè)是在UVM超級計算機(jī)上發(fā)現(xiàn)的計算機(jī)設(shè)計生物的解剖藍(lán)圖。在右側(cè)，完全由青蛙皮膚（綠色）和心?。t色）細(xì)胞構(gòu)建的生物體。當(dāng)這些新自然生物在顆粒物領(lǐng)域中移動時，其背景顯示了由這些新自然生物群雕刻的痕跡。（提供者：Sam Kriegman，UVM）

 

 

　　xenobots”生物機(jī)器人是什么？如果回到物體的本質(zhì)，這個問題就很好回答，可以用一個簡單的例子說明，一本書，我們通常就可以想到，一本書是用木頭做的，但我們所看到的它在物理形體上不是一棵樹，因為在生物學(xué)基準(zhǔn)上，原本在樹木上死掉的細(xì)胞，被人類重新利用以滿足另一個制作書的需要，于是有了我們能看到的書。

 

　　基于相同原理，佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的科學(xué)家在UVM超級計算機(jī)上設(shè)計了活體機(jī)器人。

 

　　佛蒙特大學(xué)的計算機(jī)科學(xué)家和機(jī)器人專家，也是這項新研究的負(fù)責(zé)人Joshua Bongard說：“這些都是新穎的活體機(jī)器人。” “它們既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的動物物種，它是一類新的人工制品：一種活的可編程生物！”
 

　　一種人造的四足動物，直徑為650-750微米，比針頭小一點。
（圖片來源：Douglas Blackiston, Tufts University）

 

　　早先在塔夫茨大學(xué)，他們利用了從青蛙胚胎中提取的活細(xì)胞，并將它們組裝成全新的生命形式，這些毫米級的“ xenobots”可以朝目標(biāo)自行移動，環(huán)繞目標(biāo)并在被切割后自行愈合。這些新穎的生活機(jī)器既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的動物物種。它們是一類新的人工制品：一種活的可編程生物。

 

　　科學(xué)家設(shè)想，有一天，它們可以用于各種任務(wù)，例如尋找放射性污染，在海洋中收集微塑料或在人的動脈中刮擦斑塊。塔夫茨再生與發(fā)育生物學(xué)中心的負(fù)責(zé)人邁克爾·萊文說：“我們可以想象，這些活體機(jī)器人在許多有用的應(yīng)用場景中都具有獨特性，其功能是其他機(jī)器無法做到的。”

 

 

　　xenobots生物機(jī)器人的出現(xiàn)或許也是人類發(fā)展的必然方向，因為從18世紀(jì)以來，人類制品大多數(shù)技術(shù)由鋼，混凝土，化學(xué)藥品和塑料制成，雖然它們會隨著時間的流逝而降解，但更多是會產(chǎn)生有害的生態(tài)和健康副作用。因此，使用能自我講解和生物相容性材料構(gòu)建技術(shù)必然是人類的大方向，其中最理想的候選者是生命系統(tǒng)本身。

 

　　生命系統(tǒng)比目前任何技術(shù)都更加完善化，多樣化，他們是人類生活的基本，但是，我們創(chuàng)造新生命形式的能力目前僅限于在體外改變現(xiàn)有的生物或生物工程類器官。于是美國的科學(xué)家大膽提出了這種用于創(chuàng)建功能新穎的生命形式的可擴(kuò)展方式：用AI自動在計算機(jī)中設(shè)計各種候選生命形式以執(zhí)行某些所需功能，然后使用基于單元的構(gòu)造工具包創(chuàng)建可移植設(shè)計，以實現(xiàn)具有預(yù)期行為的生活系統(tǒng)。

 

　　基于此，佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的科學(xué)家提出這種從頭開始完全設(shè)計生物機(jī)器的方法：計算機(jī)在模擬仿真中自動設(shè)計新機(jī)器人組織架構(gòu)，然后通過生物實驗，將不同的生物組織組合在一起來構(gòu)建理論中的最佳設(shè)計。這表明其他人可能會使用這種方法來設(shè)計各種生物機(jī)器，以安全地將藥物輸送到人體內(nèi)，幫助進(jìn)行環(huán)境修復(fù)，或者進(jìn)一步擴(kuò)大我們對生命可能采用的多種形式和功能的理解。

 

　　盡管此流程中的某些步驟仍需要人工干預(yù)，但將來完全自動化后，必然將為設(shè)計和部署用于各種功能的個性化定制生活系統(tǒng)鋪平道路。目前的xenobots生物機(jī)器人就是在美國UVM的超級計算機(jī)上設(shè)計的，然后由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家組裝和測試，實現(xiàn)了一個新生命的誕生。

 

　　佛蒙特大學(xué)教授喬什·邦加德（Josh Bongard）圖源: Joshua Brown

 

　　這項新研究的結(jié)果于1月13日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

 

 

　　新生物機(jī)器人的出現(xiàn)不是巧合，而是長期積累后的產(chǎn)物。至少從農(nóng)業(yè)出現(xiàn)之初，人們就一直在為人類的利益而不斷嘗試操縱和改造生物，例如對于狼到狗的改造，對于野貓到家貓的改造，遺傳基因編輯正變得越來越普遍。

 

　　并且生物技術(shù)的不斷發(fā)展也為此提供了更多的可能性。眾所周知的是，在過去的幾年中，已經(jīng)有實驗室人工開始嘗試制造了一些人造生物，并復(fù)制了已知動物的身體形態(tài)（例如前段時間就有人復(fù)制已故的寵物貓）。

 

　　但這次研究成果與以往的成績有所不同，研究小組在已發(fā)表的最新研究中寫道，這是人類有史以來第一次“完全無參照從零開始設(shè)計具備完全生物體體征的機(jī)器人”。這是一個在生物學(xué)上的更進(jìn)一步。

 

　　超級計算機(jī)和AI也為誕生提供了必要條件。科學(xué)團(tuán)隊在UVM公司的Vermont Advanced Computing Core（美國佛蒙特州高級計算核心）的Deep Green超級計算機(jī)集群上為此進(jìn)行了數(shù)月的處理之后，才開發(fā)并使用了一種進(jìn)化算法，并由AI為新的生命形式創(chuàng)建了數(shù)千個候選設(shè)計，之后生物學(xué)家才嘗試完成科學(xué)家分配的任務(wù)（例如在一個方向上做不規(guī)則移動），計算機(jī)一遍又一遍地將數(shù)百個模擬細(xì)胞重新組裝成無數(shù)種形式和體形，才有了最終的可能。

 

　　隨著計算機(jī)程序運行，生物編輯基本規(guī)則的不斷完善，科學(xué)團(tuán)隊受“有關(guān)青蛙蛙皮膚和心臟細(xì)胞可以做什么的生物物理基本規(guī)則”的驅(qū)動，實驗室通過不斷模擬生物，篩選保留和改良有可能的進(jìn)化體，拋棄失敗的設(shè)計，在算法獨立運行一百次之后，他們成功選擇出了最有前途的設(shè)計體進(jìn)行測試，并獲得了成功。

 

　　隨后，在萊文（Levin）的帶領(lǐng)下，在塔夫茨（Tufts）團(tuán)隊以及顯微外科醫(yī)師道格拉斯·布萊克斯頓（Douglas Blackiston）的關(guān)鍵工作下，研究人員將計算機(jī)設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實。首先，他們收集了從非洲蛙（非洲爪蟾）的胚胎中提取的干細(xì)胞。（因此，機(jī)器人名稱為“ xenobots”。）將它們分成單個細(xì)胞進(jìn)行孵育，隨后他們使用微型鑷子和一個更小的電極，將細(xì)胞切割并在顯微鏡下連接到計算機(jī)所指定的設(shè)計中。

 

 

 

　　這些細(xì)胞組構(gòu)成自然界中從未見過的身體形態(tài)，并且開始協(xié)同工作。皮膚細(xì)胞形成了更為被動的結(jié)構(gòu)，而曾經(jīng)隨機(jī)收縮的心肌細(xì)胞開始起作用，在微型計算機(jī)的設(shè)計指導(dǎo)幫助下，并在生物物體自發(fā)形成的自組織模式下，使生命體有序的向前運動成為可能，從而使機(jī)器人擁有得以前進(jìn)的能力，這些可重構(gòu)的有機(jī)體被證明能夠以連貫的方式移動，并能依靠胚胎儲能在數(shù)天或數(shù)周的時間內(nèi)生存，并探索它們周圍的水環(huán)境。具有可控生命體體征和運動能力代表著xenobots能被稱為一個生命體。

 

　　科學(xué)團(tuán)隊表示，后來的實驗測試表明，成群的xenobots會做環(huán)狀運動，這使得它們能將顆粒自發(fā)地和集體地推到中央位置，同時也可以在機(jī)器人身上設(shè)計一個減少阻力的小口，在這些的模擬版本中，科學(xué)家們能夠?qū)⑦@個孔重新定位為可成功攜帶物體的小口袋。UVM的計算機(jī)科學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)中心系教授Bongard說：“這是計算機(jī)設(shè)計的生物體能進(jìn)行智能藥物輸送邁出的關(guān)鍵一步。”

 

　　目前許多醫(yī)療機(jī)器人和生物技術(shù)是由鋼或塑料制成的，這些元素可以使它們非常穩(wěn)固，但是廢棄后的它們也會造成生態(tài)問題和人類健康問題，例如海洋中日益嚴(yán)重的塑料污染以及許多合成材料和電子產(chǎn)品的毒性。科學(xué)團(tuán)隊稱，這也是他們不使用鋼鐵作為主要生產(chǎn)原料的原因，活組織的優(yōu)點和缺點都是它結(jié)構(gòu)薄弱并且會降解，因為生物在再生和自身持續(xù)數(shù)十年的發(fā)展中，已經(jīng)擁有45億年的實踐經(jīng)驗，當(dāng)生物停止工作時（死亡），它們通常會無害地分崩離析。UVM的Bongard教授說：“我們這些xenobots是完全可生物降解的，當(dāng)它們在工作七天后完成工作時，它們就只是死了的皮膚細(xì)胞，這比目前的排出式微型機(jī)器人更先進(jìn)。”

 

　　在醫(yī)療模擬下，xenobots的另一特性更讓人震驚，物理的特質(zhì)來說，細(xì)胞分解后很難重新聚集，但在新的實驗中，科學(xué)家切割了xenobots并觀察了發(fā)生的情況。Bongard舉例說明道：“我們的筆記本電腦是一項強(qiáng)大的技術(shù)，但是嘗試將其切成兩半，它就不太好用。我們將機(jī)器人切成兩半，但是隨后它就將自己縫合起來，然后繼續(xù)前進(jìn)，這是典型機(jī)器無法做到的。”這或許也為新的生物機(jī)器人具有的獨特特性提供了依據(jù)，想象一下分離的肢體斷裂后直接能夠接起來的畫面，我們會想到很多電影的場景。

 

 

　　Levin和Bongard都表示，目前人類所了解的細(xì)胞如何溝通和連接的潛力，其實已經(jīng)深入到計算科學(xué)和我們對生命的理解中，在這個成品中就得到了較好表現(xiàn)。Levin認(rèn)為目前生物學(xué)的最大問題是了解生物體態(tài)生物上的決定形式和將其變成具體功能的算法。例如基因組編碼蛋白質(zhì)，人類在硬件如何模仿并使細(xì)胞能在多種不同的條件下合作，從而進(jìn)行功能解構(gòu)，就是最難的挑戰(zhàn)。

 

　　為了克服這一挑戰(zhàn)，使有機(jī)體得以發(fā)展和發(fā)揮功能，他們想到讓許多信息共享與合作單元（有機(jī)計算）一直在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間進(jìn)行，而不僅限于神經(jīng)元內(nèi)。萊文說：“這些新興的幾何特性是由生物電，生物化學(xué)和生物力學(xué)過程所形成的，這些過程在DNA特定的硬件上運行，這些過程是可重構(gòu)的，從而使新的生命形式成為可能。”
 

 

　　使用計算機(jī)模擬設(shè)計來創(chuàng)建xenobots的體內(nèi)活體延時記錄，并通過計算機(jī)操作和組裝細(xì)胞的過程。圖片來源：塔夫茨大學(xué)道格拉斯·布萊克斯頓

 

　　科學(xué)家們認(rèn)為，他們在新的PNAS研究中提出的工作- “用于設(shè)計可重構(gòu)生物的可擴(kuò)展管道”，是將有關(guān)此生物電代碼的見解，應(yīng)用于生物學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的第一步。“究竟是什么決定了細(xì)胞協(xié)同作用的解剖結(jié)構(gòu)？” 萊文提出。“外界了解我們一直在用xenobots構(gòu)建的細(xì)胞，并且從基因上講，它們就是青蛙，它是100％的青蛙DNA，但在基因?qū)W上也可以不是青蛙，那么人們會去思考，這些細(xì)胞還能構(gòu)建什么？”

 

　　萊文說：“正如我們所展示的，這些青蛙細(xì)胞可以被編寫成有趣的生物形式，這與它們的默認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)完全不同。” 他和Tufts小組的其他科學(xué)家在DARPA和UVM的“終身學(xué)習(xí)機(jī)器人”計劃以及美國國家科學(xué)基金會的支持下，仍在不斷進(jìn)行研究，他認(rèn)為構(gòu)建xenobots只是邁向破解他所謂的“形態(tài)學(xué)代碼”的一小步，下一步是了解更深入的了解生物的整體組織方式，以及思考它們該如何根據(jù)其歷史和環(huán)境來計算和存儲信息。

 

 

　　許多人擔(dān)心快速的技術(shù)變革和復(fù)雜的生物操作的影響。萊文說：“這種恐懼并非沒有道理，因為當(dāng)我們開始處理我們不了解的復(fù)雜系統(tǒng)時，我們或許將得到意想不到的后果。但這個過程是不可避免的，因為許多復(fù)雜的系統(tǒng)（例如蟻群）其實都以一個簡單的單元（即螞蟻）開始，因此如果無法預(yù)測它們的形態(tài)學(xué)形狀，也也無從知道他們?nèi)绾卫孟嗷ミB接的身體在水上架起橋梁。”萊文認(rèn)為如果人類要生存到未來，就需要更好地理解復(fù)雜的屬性是如何從簡單的規(guī)則中產(chǎn)生的。他說，目前人類的許多科學(xué)都集中在“控制底層規(guī)則，但我們?nèi)祟愡€需要了解高層規(guī)則，從而進(jìn)行頂層設(shè)計。

 

　　萊文認(rèn)為社會絕對有必要對結(jié)果非常復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行更好的處理，而不是因為恐懼其后果而規(guī)避，但要做到這一點的第一步是探索：例如生命系統(tǒng)如何決定整體行為？其完整體應(yīng)該是什么，以及我們?nèi)绾尾倏v碎片來獲得我們想要的行為？

 

　　萊文說：“換句話說，這項研究是對解決人們所擔(dān)心的事情的直接貢獻(xiàn)，這是意想不到的后果。但無論是自動駕駛汽車的迅速到來，還是改變基因驅(qū)動以消滅整個病毒譜系，或許多其他復(fù)雜的自治系統(tǒng)，必然都將逐漸改變?nèi)祟惖纳铙w驗，這是人類向前邁步的根源。

 

　　UVM的Bongard總結(jié)說：“生活中蘊(yùn)含著生物所有與生俱來的創(chuàng)造力，我們?nèi)祟愔皇且仓恍枰敫钊氲亓私膺@一點，指導(dǎo)和推動它走向新形式，這或許就夠了。”