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                                                  重磅!全球首個活體機器人誕生

                                                  Time: 2020-01-15 10:18:59

                                                  Author: 上海芭熹機器人有限責任公司

                                                  From: 鈦媒體

                                                  北京時間1月14日凌晨,全球頂級期刊《美國科學院院報》(PNAS)發表了一項最新重磅研究:美國科學家利用從青蛙胚胎中提取的活細胞,創造出了第一個毫米級“活體可編程機器人”(以下稱為“活體機器人”,英文為 Xenobots)。

                                                  簡單來說,“活體機器人”是一種由 100% 青蛙細胞所創造出的新生命個體——非金屬非機械結構、非單細胞生物體,是一種新的活體可編程生物。

                                                  該“機器人”擁有兩個“短腿”,并能依靠自主力量朝目標移動。最為關鍵的一點,由于它們是“活體機器人”,即便被損壞或撕裂,也能自行復制和修復。

                                                  本項研究由佛蒙特大學(UVM)計算機科學系教授約書亞·邦加(Joshua Bongard)的團隊主導,在 UVM 的超級計算機上設計,然后再由美國塔夫茨大學的生物學家組裝和測試,是一次跨“計算機+生物”領域的完美合作。

                                                  約書亞·邦加(Joshua Bongard)

                                                  本篇論文的共同作者,塔夫茨大學再生與發育生物學中心的負責人邁克爾·萊文(Michael Levin)認為,從基因組織上來看,Xenobots 活體機器人的本質是青蛙——它 100% 由青蛙的 DNA 組成,但是,它們卻不是青蛙,而是機器人。

                                                  邁克爾·萊文(Michael Levin)

                                                  邁克爾·萊文表示,“構建活體機器人,是人類破解‘形態學代碼’的一小步。異種機器人為我們提供更深入了解生物整體組織方式的樣本,幫助我們了解它們(青蛙細胞)是如何根據其(形態學代碼領域)歷史和環境來計算和存儲信息的?!?/span>

                                                  美國科技網站 Wired 則形容該研究稱:“(它們是)一種令人毛骨悚然的新型可編程生物”。

                                                  如果說,過去五十年,機器人行業是從無到有的話,今天 PNAS 發表的這項研究則意味著:活體機器人不再是設想與科幻,它們將在未來成為現實。而且,在人類的指導下,未來活體機器人或許能在某種意義上,像真實的生物一樣適應環境。

                                                  活體機器人背后的故事:“計算機+生物”完美跨界合作

                                                  如今你所看到的很多科學技術,都是在加工鋼鐵、混凝土、化學藥品和塑料的基礎上實現,而這些材料會隨著時間的流逝而降解,也可能產生有害的生態和健康副作用。

                                                  合成材料的運用比生活材料更加廣泛,因為前者更易于設計、制造和維護。死亡的細胞更易于重新設計以滿足其他需求。比如說,書的原材料是木頭,但你不能說一棵樹就能制造成一本書。

                                                  因此,將自我更新和生物相容性材料、也就是類似活細胞的材料,運用到科學技術中,將是有用的和有效的。在這其中,生命系統本身是理想材料的候選者。

                                                  而這個“活體機器人“,就是生活材料應用的最佳實踐者。研究人員從非洲爪蛙(Xenopus laevis)胚胎干細胞中分化,分成心臟細胞(收縮細胞)和表皮細胞(被動細胞)兩部單個細胞,然后進行孵育。

                                                  左邊頂部綠色部分是被動細胞,而紅、綠交替的部分便是主動細胞(圖片來自:Inverse)

                                                  為了讓活體機器人可以按照科學家指定的方式移動,研究團隊在 UVM VVAC 的 Deep Green 超級計算機集群上進行了數月的處理,并使用了一種進化算法,為新的生命形式創建了數千個候選設計。為了完成科學家分配的任務(例如在一個方向上移動),計算機一遍又一遍地將數百個模擬細胞重新組裝成無數種形態。

                                                  左邊就是進化算法所創建的候選設計,右邊是模型與細胞的結合

                                                  而后再將非洲爪蛙單個表皮細胞和心肌細胞進行結合,并利用 Deep Green 設計出來的最佳模型,使用微小的鑷子和均勻的電極,將細胞切割并在顯微鏡下連接成計算機指定設計的近似值,不斷嘗試與實驗,創造出全球首個 “活體機器人”。

                                                  這是有史以來第一次“完全從頭開始設計完全生物的機器”,100% 由青蛙細胞創造出的一種新生命體。

                                                  如果說,之前的機器人設計都是利用機械結構形成的話,這一新的研究,將細胞組裝成自然界中從未見過的身體形態,進行協同工作。這將會是人類歷史上一次驚人的研究發現。

                                                  除了算法以外,科研人員讓分化出的心臟收縮細胞,在計算機的設計指導下,創造出有序的向前運動,使機器人得以繼續前進。

                                                  在實驗過程中,研究人員還發現了另外一個事實:這個“活體機器人”可以在水性介質中移動,并且可以轉圈。

                                                  后來的測試表明,這個不同于金屬、塑料機器人的活體機器人是完全可生物降解的,也具有自我修復能力的。

                                                  本篇論文的作者也介紹說:“我們把機器人切成了兩半,結果它不僅能把自己縫合起來,其后還能繼續活動?!?/span>

                                                  有趣的是,如果你利用顯微鏡將斑點輕拍到其背面,將這個機器人翻轉過來,它就像翻過的烏龜一樣躺在那里,一動不動。

                                                  這一切形態,與人的表達無異,堪稱是機器人領域的“異星覺醒“。

                                                  未知世界的倫理沖擊

                                                  雖然上文短短幾百字將“活體機器人“這項技術解釋出來,但事實上,這項研究需要很多技術難點需要克服,也有很大的未知風險。

                                                  許多人擔心,快速的技術變革和復雜的生物操作,會帶來不良的影響。在該論文發表之后,有國外的網友評論稱,“請不要把它(活體機器人)植入到體內”,“很容易造成替代和暗殺”等等。

                                                  請輸入圖說

                                                  該篇論文共同作者山姆·克里格曼(Sam Kriegman)認為,類似的“活體機器人”未來變體將很有可能具備神經系統和認知能力。針對上文所提到的道德問題,他也認為,在發現這類機器人后,政策制定者也能針對性地定制最佳行動方案,“每個人都應該做各種不同的事情,(我們)只是在探索,而(其他人)需要考慮其行為的倫理后果和影響?!?/span>

                                                  斯坦福大學法學教授,生物醫學倫理學研究中心指導委員會主席漢克·格里利(Hank Greely)同意該說法,并表示,盡管當前的研究遠沒有創造出類似人類的東西,但他們仍應牢記這樣的倫理學問題,也需要全社會來關注并且優化倫理方案。

                                                  其他研究者們認為,活體機器人的特性則展示了其未來無限的可能性。它們可以被用來清理海洋中的微塑料污染,定位和消化有毒物質,或者進入人體血管,精準輸送藥物、清除動脈壁上的斑塊等,這些都是活體機器人的落地范圍。

                                                  麻省理工學院(MIT)計算機科學和人工智能實驗室(CSAIL)主任 Daniela Rus 也曾指出,技術帶來的負面影響,其實跟 AI 技術的關系并不大,而是與人類的控制有關。

                                                  不管討論如何,這并不妨礙我們對活體機器人的關注,以及對未來科幻希望現實落地的想法。


                                                  重磅!全球首個活體機器人誕生
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