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全球首位“自我繁衍”的活體機器人誕生:真那么神奇?

信息來源:m.53299912.com   2022-02-10 08:57:43

活久見!全球首位活體機器人創(chuàng)生命繁衍新方式!

大家印象中的機器人是不是還停留在銅頭鐵額的機械體?

亦或是由鋼筋混凝土或者粗重木頭制成的龐然大物?

這不,科學(xué)家馬上安排了一批活體機器人,劃重點,全球首批!

而且,這些機器人還會自我繁殖......

全球首個“自我繁衍”的活體機器人誕生:真那么神奇?

這是由來自佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)以及哈佛大學(xué)Wyss研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的一種全新生物繁殖形式,并創(chuàng)造了有史以來首位「自我復(fù)制」的活體機器人。

目前,這項研究成果已于2021年11月29日發(fā)表在《美國guo家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

全球首個“自我繁衍”的活體機器人誕生:真那么神奇?
論文鏈接:https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

去年,這批學(xué)者就依靠進化算法,利用青蛙的表皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞造出了全球首批活體機器人,并將其命名為「Xenobot」

不同于傳統(tǒng)機器人,也不是已知的某種動物物種,「Xenobot」是一種新型的、具有生命的、可編程的生物,而且可以自主移動,即使被切開也能夠自動愈合。

全球首個“自我繁衍”的活體機器人誕生:真那么神奇?
自主移動的Xenobot

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自動修復(fù)的Xenobot

但在當(dāng)時,首代「Xenobot」還無法完成自我復(fù)制。

如今,研究團隊已經(jīng)攻克這個難題,造出了有史以來首批能夠自我復(fù)制的活體機器人

該團隊發(fā)現(xiàn),這些由計算機設(shè)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(xì)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。

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幾天后,這些「下一代」就會變成外觀、行動都與父輩一樣的新一代Xenobot。這些新的Xenobot還會繼續(xù)出去尋找細(xì)胞,建立自己的副本,循環(huán)往復(fù),生生不息......

1、Xenobot如何自我復(fù)制?

Xenobot本身是由數(shù)千個非洲角蟾的胚胎細(xì)胞組成的一個細(xì)胞團。如果是正常的繁衍過程,這些胚胎細(xì)胞終會發(fā)育成蝌蚪的不同部分。

但是,來自美國佛蒙特大學(xué)和塔弗茨大學(xué)團隊,將原始胚胎細(xì)胞切割出不同部分,并按照計算機模擬出的結(jié)構(gòu)進行重建,人為「生產(chǎn)」出了這種新的生命。

該研究的合著者、塔夫茨大學(xué)的權(quán)威科學(xué)家、Douglas Blackiston、表示:長期以來,人們一直認(rèn)為我們已經(jīng)找到了生命可以繁殖或復(fù)制的所有方式。但這次我們的發(fā)現(xiàn)是之前從未見過的。

這些由計算機設(shè)計出來的細(xì)胞集合結(jié)構(gòu)雖然擁有青蛙的基因組,但是,它們卻沒有選擇成為蝌蚪,而是以一種看上去像是集體智慧的舉動,做出了令人震驚的事情。

比如,自我復(fù)制。已經(jīng)發(fā)育成熟的細(xì)胞群處在一群零散胚胎細(xì)胞中時,會自發(fā)把這些離散細(xì)胞堆在一起。

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如果這個細(xì)胞團足夠大,這些細(xì)胞群就能發(fā)育成會游泳、帶纖毛的后代。只是,這個過程不確定性較大。

溫度范圍、胚胎細(xì)胞的密集度、成熟細(xì)胞群的數(shù)量和隨機行為、溶液的粘度、培養(yǎng)皿的幾何形狀表面,以及污染等等都會影響復(fù)制。

所以初代Xenobot的自我復(fù)制,頂多只能持續(xù)兩輪。如何擴大這種復(fù)制輪次?這時AI算法就派上用場了。

2、AI如何擴大復(fù)制輪次?

既然球狀結(jié)構(gòu)的細(xì)胞團不利于繁衍,那是不是可以試試其他形狀?所以要如何突破這個難題呢?

能夠自我復(fù)制的Xenobot初是由在佛蒙特大學(xué)的超級計算機上運行的 AI 程序構(gòu)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(biāo)是發(fā)現(xiàn)哪種細(xì)胞配置能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制。

AI發(fā)現(xiàn)了一個成功的設(shè)計:一組形狀像 1980 年代街機游戲吃豆人的細(xì)胞。在「吃豆人」形狀下,Xenobots的自我復(fù)制系統(tǒng)壽命,由2代增加到了4代。

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該研究的共同作者、塔夫茨大學(xué)權(quán)威科學(xué)家Douglas Blackiston拿著AI給出的設(shè)計,使用微型電烙鐵和手術(shù)鉗手工雕刻出Xenobot母體,它由3000個青蛙細(xì)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(xì)胞為Xenobot母體提供了原材料,它們用這些材料在吃豆人形狀的「嘴巴」中造出新的Xenobot。幾天后,新Xenobot又成長為新的Xenobot母體。通過不斷往培養(yǎng)皿中添加青蛙細(xì)胞原料,這種自我復(fù)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(xì)胞會發(fā)育成皮膚,附在在蝌蚪的外面,從而阻擋病原體并重新分配粘液。但研究團隊將這些細(xì)胞置于一個新的環(huán)境中,讓它們有機會重新想象自身的多細(xì)胞性。

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事實證明,只想成為皮膚的細(xì)胞不是好細(xì)胞。

“在過去的很長一段時間,人類一直認(rèn)為已經(jīng)找到了生命繁殖或復(fù)制的所有方式,但這個方式是以前從未觀察到的,”Douglas Blackiston表示。

由大約3000個細(xì)胞組成的Xenobot母體自身形成了一個球體。這些球體可以繁殖,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,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(xué)」復(fù)制中更有效的細(xì)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(xué)工程與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院的教授Bongard說。那么,“我們?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(fù)制的Xenobots。今后還會有什么?”

或許正如科學(xué)家們在《美國guo家科學(xué)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)。

3、下一個目標(biāo)是什么?

與其他已知的生物繁殖形式相比,基于運動學(xué)的自我復(fù)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?qū)W會自動設(shè)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(fù)制。

因此,團隊的下一步的目標(biāo)是加快人們從認(rèn)識問題到給出解決方案的轉(zhuǎn)變速度,比如利用活體機器人把塑料微粒從下水道中拉出來,或者制造新的藥物。

“我們正在努力了解這個特性:復(fù)制。世界和技術(shù)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。

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研究團隊看到了活體機器人朝著再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的前景。

Levin解釋道:如果我們知道如何告訴細(xì)胞集合做我們想讓它們做的事情,那就是再生醫(yī)學(xué),比如創(chuàng)傷性損傷、出生缺陷、癌癥和衰老的解決方案。這些問題的存在是因為我們不知道們不知道如何預(yù)測和控制細(xì)胞群的構(gòu)建。

誠如研究人員所說,「在生命的表面之下,還隱藏著更多令人驚訝的行為,等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。」

然而有些人給出了不同的解讀,比如一些網(wǎng)友,可能對可自我復(fù)制的生物技術(shù)的概念感到擔(dān)憂,甚至感到恐懼:人造生命、集體智慧、自我復(fù)制。所以,下一步是什么?會走向失控毀滅嗎?

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而要回答這個問題,首先要明確Xenobot是否具備智能?

當(dāng)被問及Xenobot 是否智能時,Blackiston表示更愿意將其稱為可編程生物,智能則發(fā)生在設(shè)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(rèn)同,這項工作挑戰(zhàn)了科學(xué)定義。

“由于這些技術(shù),定義正在走向消亡”,Bongard補充道——Xenobot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(biāo)準(zhǔn)定義。

所以,對于這項研究,仁者見仁,智者見智,不必太糾結(jié)于目前僅有的研究成果,畢竟歷史已證明,科技發(fā)展從長遠(yuǎn)來看還是造福人類的。

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