機(jī)器人可以自己繁殖后代。

現(xiàn)在，這個(gè)看似科幻的場(chǎng)景終于走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)3354，雖然呈現(xiàn)方式可能和你想的有點(diǎn)不一樣。

在本周發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院刊》的一篇論文中，美國(guó)科學(xué)家利用青蛙細(xì)胞創(chuàng)造了第一個(gè)自我復(fù)制的活體機(jī)器人，這也更新了我們對(duì)生物體復(fù)制方式的認(rèn)識(shí)。

這個(gè)由美國(guó)佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，去年1月發(fā)表了一項(xiàng)廣受關(guān)注的成果。當(dāng)時(shí)，他們研制出了世界上第一臺(tái)活體機(jī)器人。

去年發(fā)表的第一個(gè)活體機(jī)器人(來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2])

乍一看，這些細(xì)胞群似乎與機(jī)器人無(wú)關(guān)。但事實(shí)上，它們是由研究人員使用計(jì)算機(jī)精心設(shè)計(jì)的。這些細(xì)胞團(tuán)由從非洲爪蟾胚胎干細(xì)胞分化而來(lái)的心肌細(xì)胞和皮膚細(xì)胞組成。——心肌細(xì)胞為細(xì)胞團(tuán)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，皮膚細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐。這兩種細(xì)胞就像兩個(gè)不同的積木，計(jì)算機(jī)模型會(huì)根據(jù)研究人員的要求將這兩個(gè)“積木”組合起來(lái)構(gòu)建不同的構(gòu)型(比如可以向特定方向移動(dòng))，篩選出那些功能符合設(shè)計(jì)者要求的結(jié)構(gòu)。

在計(jì)算機(jī)模型的指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)隨后可以使用真實(shí)的細(xì)胞來(lái)構(gòu)建細(xì)胞簇。這些程序設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可以按照研究人員的預(yù)期完成移動(dòng)和搬運(yùn)物體等任務(wù)，研究團(tuán)隊(duì)將其命名為“Xenobot”。

然而，這種“活的、可編程的新有機(jī)體”有一個(gè)問(wèn)題，那就是它不能自我復(fù)制。一旦它們攜帶的能量耗盡，它們就會(huì)“死亡”并被降解。

計(jì)算機(jī)用兩種細(xì)胞“搭積木”，組成能實(shí)現(xiàn)特定功能的機(jī)器人(來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2])

因此，研究團(tuán)隊(duì)希望更進(jìn)一步：讓Xenobot自我復(fù)制。

Xenobot顯然沒(méi)有自我意識(shí)，無(wú)法像動(dòng)植物一樣繁衍后代。那么它們是如何實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制的呢？答案是繼續(xù)“搭積木”。

研究小組首先設(shè)計(jì)了由大約3000個(gè)細(xì)胞組成的第一代Xenobot。他們將這些直徑約為0.5毫米的球形細(xì)胞團(tuán)放入裝有大量非洲爪蟾干細(xì)胞的培養(yǎng)皿中。這時(shí)，細(xì)胞團(tuán)表面的纖毛就像細(xì)菌的鞭毛一樣，推動(dòng)它們按照設(shè)計(jì)的方向螺旋運(yùn)動(dòng)。在游泳的途中，它們會(huì)推開(kāi)散落的干細(xì)胞，將它們聚集在一起。隨著這個(gè)過(guò)程的繼續(xù)，Xenobot積累了越來(lái)越多的細(xì)胞。5天內(nèi)，積累形成一個(gè)全新的細(xì)胞團(tuán)，比第一代更小，更球形。

當(dāng)它從更大的細(xì)胞團(tuán)中分離出來(lái)時(shí)，第二代Xenobot就誕生了。研究人員將其放入一個(gè)全新的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿中也含有大量干細(xì)胞。因此，第二代Xenobot也可以游泳和積累干細(xì)胞，它重復(fù)第一代的步驟，尋找單個(gè)細(xì)胞，并將其積累成新的細(xì)胞群。

但是，這個(gè)過(guò)程不能持續(xù)太久。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，第一代Xenobot最多只能自我復(fù)制兩次，即產(chǎn)生第三代。后來(lái)，當(dāng)新的細(xì)胞團(tuán)少于50個(gè)細(xì)胞時(shí)，它就失去了游動(dòng)和復(fù)制的能力。

有什么辦法可以延長(zhǎng)這種自我復(fù)制的過(guò)程？研究團(tuán)隊(duì)想到了人工智能。

他們使用一種模擬自然進(jìn)化的算法來(lái)預(yù)測(cè)什么樣的異種機(jī)器人初始形式可以產(chǎn)生更多的后代。使用佛蒙特大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，該算法預(yù)測(cè)了數(shù)十億個(gè)形狀。最終，C形或果凍豆人形機(jī)器人3354脫穎而出，它有一個(gè)球形的開(kāi)口，這個(gè)“嘴”正好幫助Xenobot移動(dòng)和收集干細(xì)胞。

隨后的實(shí)際測(cè)試也驗(yàn)證了“果凍豆人”xeno bot ——的復(fù)制能力。在培養(yǎng)皿中，這個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了四次自我復(fù)制，比普通球形機(jī)器人多了兩代。

在這個(gè)過(guò)程中，人工智能的作用也很明顯。科學(xué)家想出這種反直覺(jué)的構(gòu)型并不容易。

在研究小組看來(lái)，從這一進(jìn)展中，我們或許可以期待醫(yī)學(xué)上的新突破。去年初Xenobot誕生的時(shí)候，論文就指出這個(gè)系統(tǒng)有望用于精準(zhǔn)給藥。現(xiàn)在，隨著自我復(fù)制能力的增加，科學(xué)家們期待再生醫(yī)學(xué)的新突破。

第二代Xenobot(綠色)的形成過(guò)程(圖片來(lái)源：道格拉斯布萊克斯頓和薩姆克里格曼)

這項(xiàng)進(jìn)展的另一個(gè)意義是，這是科學(xué)家首次觀察到細(xì)胞或生物體內(nèi)的動(dòng)態(tài)自我復(fù)制。這種復(fù)制機(jī)制在分子水平上很常見(jiàn)，但對(duì)于生物來(lái)說(shuō)，細(xì)胞的生長(zhǎng)被認(rèn)為是所有生殖行為的基礎(chǔ)。

注：原文已刪除。

參考資料：

[1] Sam Kriegman等人，可重構(gòu)生物中的運(yùn)動(dòng)學(xué)自我復(fù)制。PNAS (2021年)

[2] Sam Kriegman等人，用于設(shè)計(jì)可重構(gòu)生物體的可擴(kuò)展流水線(xiàn)。PNAS (2020)

[3]異種機(jī)器人：研究小組制造出第一個(gè)可以繁殖的活體機(jī)器人。檢索于2021年11月29日，來(lái)自