全球首個活體機器人再升級！5分鐘自愈嚴重傷口，具備“記憶”功能
智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 屈望苗
編輯 | 江心白
智東西4月1日訊息，據外媒Tech Xplore報道，來自美國塔弗茨大學（Tufts University）和佛蒙特大學（University of Vermont，UVM）的研發團隊成功開發了第二代微型生物機器人“Xenobots”，同樣基於非洲爪蟾細胞構建。
但與第一代相比，第二代Xenobots不僅能實現單細胞的自主組合，它的移速還更快，資訊讀寫功能和自愈能力也大大增強。
目前，這一最新研究成果已於美國時間3月31日發表在《科學·機器人學（Science Robotics）》期刊上，論文題目為《一個用於開發合成生命機器的細胞平臺（A cellular platform for the development of synthetic living machines）》。
論文連結：https：//robotics。sciencemag。org/content/6/52/eabf1571
早在去年1月，該團隊釋出的全球首個活體機器人Xenobots就已登上頂級期刊《美國科學院院報（PNAS）》封面，該研究提出並實現了用計算機設計生物體的概念，用生物材料代替金屬、塑膠等人工材料來構建機器人。
一、透過青蛙胚胎幹細胞分化構建生物體
從細胞構建上看，第一代Xenobots採用了“自上而下”的構造方式，透過手工重組青蛙面板和心臟細胞，使心臟細胞在底層收縮來實現機器人的移動。
相比之下，第二代Xenobots則採用 “自下而上”的方法進行構造，由單個的細胞自主形成生物體。塔夫茨大學生物學家用非洲的一種青蛙——非洲爪蟾（Xenopus laevis，這也是Xenobots名字的由來）的胚胎幹細胞進行生長和增殖，幾天後一些幹細胞就分化形成了纖毛。這些能移動、旋轉的纖毛充當了第二代Xenobots的“腿”，使它無需肌肉細胞就能快速移動。
由於構造升級，第二代Xenobots的移速更快，壽命更長，也能更好地適應各種環境。
“我們見證了細胞組織非凡的可塑性——它們違背常識，構建了一個新的青蛙‘身體’，並且這隻青蛙的基因組完全正常。” 塔夫茨大學著名生物學教授Michael Levin說。“在正常的青蛙胚胎中，細胞增殖分化形成蝌蚪。而現在我們看到細胞可以重新分化，形成纖毛來實現運動功能。令人驚訝的是，細胞可以自發承擔新的角色，創造新的身體和行為，而不需要長時間的進化選擇。”
“在某種程度上，第二代Xenobots與傳統機器人的構造很相似，我們只是用細胞和組織來代替人造元件，以構建形狀和創造可預測的行為。”資深科學家Doug Blackiston說。“在生物學上，這種方法更好地解釋了細胞在發育過程中如何相互作用，以及我們如何更好地控制這些作用。”
二、新型的Xenobots或可用於收集微粒
這個團隊由計算機科學家和機器人專家Josh Bongard領導，透過先進計算核的Deep Green超級計算機叢集，在數十萬隨機環境條件下執行進化演算法，以測試不同形狀、單獨或群體的Xenobots是否會表現出不同的行為，並分辨哪些Xenobots群體最適合在粒子場中共同工作，收集大量碎片。
結果表明，與第一代Xenobots 相比，第二代Xenobots在完成垃圾收集等任務的表現更好。一方面，第二代Xenobots能成群結隊地掃過培養皿，收集大堆的氧化鐵微粒；另一方面，它們既可以在大型平面上工作，也可以穿過狹窄的毛細血管。
不僅如此，他們的研究表明，未來矽模擬可以最佳化生物機器人的附加功能，以生成更復雜的行為。
“儘管目前第二代Xenobots的任務都很簡單，但我們的最終目標是開發一種新型的生活工具，讓它們做更多實際有用的工作，例如清理海洋中的微塑膠或土壤汙染物。”Bongard說。
三、透過熒光報告蛋白構建讀寫功能
機器人技術最大的特徵之一是能夠記錄資訊，並根據這些資訊控制機器人的行為。
在這一方面，研究團隊透過一種名為EosFP的熒光報告蛋白來記錄資訊，這種蛋白通常情況下會發出綠光，但在波長390nm的光線照射下會發出紅光，以此將第二代Xenobots設計成一個擁有讀寫能力的機器人。
具體來看，研究人員在青蛙胚胎細胞內注射了編碼EosFP蛋白的信使RNA，並分離出幹細胞形成第二代Xenobots。成型後的Xenobots會內建一個熒光開關，能記錄波長390nm左右藍光照射的情況。
在實際測試中，研究人員讓10個第二代Xenobots在一個表面上遊動，同時該表面中有一個被波長390nm光束照亮的點。兩小時後，有3個機器人發出紅光，其餘則保持綠色。這表明，這次“旅程記憶”被有效地記錄了下來。
研究人員認為，這種分子記憶原理在未來也許可用於探測和記錄光汙染、放射性汙染、化學汙染、藥物或疾病。同時，研究人員針對Xenobots的記錄系統還給出了不同的最佳化路徑，例如讓機器人記錄多種刺激（需要新增更多資訊位），並在刺激下釋放化合物，或根據不同刺激的感覺改變行為。
“我們賦予機器人更多能力的同時，可以利用計算機模擬設計出更復雜的行為，讓它們執行更復雜的任務。”Bongard談到，他們設計的機器人不僅可以報告所處環境的狀況，還可以修改和修復所處環境的狀況。
四、生物材料癒合代謝能力強，5分鐘自愈嚴重撕裂傷
“我們希望能將許多生物材料的特性應用在機器人上，例如用細胞來組成感測器、馬達、通訊和計算網路，以及資訊儲存裝置。”Levin說。
在Levin看來，癒合是生物體的自然特徵，傳統的金屬或塑膠機器人很難做到。但第二代Xenobots及未來的生物機器人可以隨著細胞的生長和成熟，來構建自己的身體，並在受到損傷時進行自我修復。
據瞭解，第二代Xenobots的癒合能力很強，5分鐘內就可以癒合嚴重的撕裂傷，傷口將近是它們身體厚度的一半。在實際測試中，所有受傷的機器人都能恢復如初，並可以繼續工作。
不僅如此，第二代Xenobots還可以進行新陳代謝。與金屬或塑膠機器人不同，第二代Xenobots的細胞可以吸收和分解化學物質，並像小型工廠一樣合成、排出化學物質和蛋白質。
同時，以往主要研究單細胞生物的合成生物學已經能研究這些多細胞生物，或可對它們重新程式設計以產生有用分子。
與第一代Xenobots類似，第二代Xenobots可以靠胚胎時期的能量儲備存活10天，並在沒有額外能源的情況下執行任務。在持續能量供應的情況下，它們可以全速執行好幾個月。
結語：生物技術與機器人技術互惠，前景可期
活體機器人的研發技術不斷迎來突破，而這個領域未來的發展將與生物技術密不可分。
正如Michael Levin在TED演講中提到的，第二代Xenobots在執行任務或醫療方面潛力非凡，而這項研究的價值就在於，用機器人研究來了解單個細胞如何聚集在、交流、建立生物體。這是一種新的模型系統，或許可以基於這個系統進行一些再生醫學方面的研究。
認識到這項技術的前景之後，塔夫茨大學和佛蒙特大學成立了計算機設計生物研究所（ICDO），並將在未來幾個月正式啟動。該研究所將彙集各大學和外部資源，創造更高階、能力更強的生物機器人。
在未來的研究中，第二代Xenobots及更高版本的活體機器人或許可以從生物領域獲得更多啟發。
