機器人能自主產(chǎn)生后代。

現(xiàn)在，這個看似科幻的場景終于進入了現(xiàn)實——雖然呈現(xiàn)方式或許和你想象的有一點區(qū)別。

在本周發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》的一篇論文中，美國科學(xué)家利用青蛙細(xì)胞打造出首個可以自我復(fù)制的活體機器人，也更新了我們對于有機體復(fù)制方式的認(rèn)識。

這支由美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)的科學(xué)家組成的研究團隊，在去年1月就已經(jīng)發(fā)表了一項廣受關(guān)注的成果。當(dāng)時，他們研發(fā)出了世界首個活體機器人。

▲去年發(fā)表的首個活體機器人（圖片來源：參考資料[2]）

第一眼看過去，這些細(xì)胞團似乎與機器人毫無關(guān)聯(lián)。但其實，它們是研究人員利用計算機精心設(shè)計出來的。這些細(xì)胞團由非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎干細(xì)胞分化出的心肌細(xì)胞和皮膚細(xì)胞組成——心肌細(xì)胞為細(xì)胞團的運動提供動力，而皮膚細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐。這兩種細(xì)胞就像是兩種不同的積木，計算機模型則會根據(jù)研究人員的要求（例如能向某個特定的方向運動），利用這兩種“積木”組合、搭建出不同的構(gòu)型，并且篩選出功能符合設(shè)計者要求的那些結(jié)構(gòu)。

在計算機模型的指導(dǎo)之下，接下來研究團隊就可以利用真實的細(xì)胞搭建出細(xì)胞團。這些經(jīng)程序設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，能按照研究人員的期望完成運動、搬運物體等任務(wù)，研究團隊將它們命名為“Xenobot”。

不過，這種“有生命的，可編程的新型有機體”存在一個問題，那就是無法自我復(fù)制。一旦自身攜帶的能量耗盡，它們就會“死亡”、被降解。

▲計算機利用兩種細(xì)胞“搭積木”，形成能實現(xiàn)特定功能的機器人（圖片來源：參考資料[2]）

因此，研究團隊希望更進一步：讓Xenobot實現(xiàn)自我復(fù)制。

Xenobot顯然不具備自我意識，也無法像動植物一樣繁殖。那么它們要如何實現(xiàn)自我復(fù)制？答案是繼續(xù)“搭積木”。

研究團隊首先設(shè)計出由大約3000個細(xì)胞構(gòu)成的第一代Xenobot。他們將這些直徑大約0.5毫米的球形細(xì)胞團放入長有大量非洲爪蟾干細(xì)胞的培養(yǎng)皿中，這時，細(xì)胞團表面的纖毛就如同細(xì)菌的鞭毛，推動著它們按照設(shè)計的方向螺旋游動。而在游動的途中，它們會推動四處分布的干細(xì)胞，將它們聚集在一起。隨著這個過程持續(xù)進行，Xenobot堆積的細(xì)胞不斷增多。在5天之內(nèi)，堆積形成了一個比第一代更小、更接近球形的全新細(xì)胞團。

▲Xenobot推動干細(xì)胞、形成新的細(xì)胞團（動圖來源：參考資料[1]）

當(dāng)它與更大的細(xì)胞團分離，第二代Xenobot就誕生了。研究人員將它放入一個全新的培養(yǎng)皿中，這個培養(yǎng)皿里同樣含有大量干細(xì)胞。于是，同樣可以游動、堆積干細(xì)胞的第二代Xenobot，重復(fù)著第一代的步驟，尋找單個細(xì)胞并將它們堆積成新的細(xì)胞團。

不過，這個過程并不能持續(xù)很久。研究團隊發(fā)現(xiàn)，第一代Xenobot最多只能自我復(fù)制兩次，也就是產(chǎn)生第三代。之后，當(dāng)新的細(xì)胞團只有不到50個細(xì)胞時，它就失去了游動、復(fù)制的能力。

有沒有辦法延長這個自我復(fù)制的過程呢？研究團隊想到了人工智能。

他們利用一種模擬自然界演化的算法，預(yù)測什么樣的Xenobot初始形態(tài)可以產(chǎn)生更多后代。利用佛蒙特大學(xué)的超級計算機，這個算法預(yù)測了數(shù)十億種形態(tài)。最終，脫穎而出的是C字型，或者說糖豆人形狀的機器人——如同球形開了個口，而這張“嘴”恰好可以幫助Xenobot移動、收集干細(xì)胞。

▲計算機模擬C字型機器人推動干細(xì)胞的示意圖（動圖來源：參考資料[1]）

隨后的實際測試也驗證了“糖豆人”Xenobot的復(fù)制能力——在培養(yǎng)皿中，這種機器人實現(xiàn)了4次自我復(fù)制，比普通球形機器人多復(fù)制了兩代。

▲C字型機器人能更高效地產(chǎn)生下一代細(xì)胞團（動圖來源：參考資料[1]）

在這個過程中，人工智能的作用也彰顯無疑——對于科學(xué)家來說，要想到這個反直覺的構(gòu)型絕非易事。

“這些細(xì)胞擁有青蛙的基因組，但它們沒有變成蝌蚪。相反，這些具有‘集體智慧’和可塑性的細(xì)胞團完成了令人驚訝的任務(wù)?！?這項研究的作者之一，塔夫茨大學(xué)的Michael Levin教授表示。

在研究團隊看來，從這項進展中，我們或許可以展望醫(yī)學(xué)的全新突破。在Xenobot于去年年初誕生時，論文便指出，這個系統(tǒng)有望用于精準(zhǔn)的藥物遞送。而現(xiàn)在，自我復(fù)制能力的加入使得科學(xué)家開始期待再生醫(yī)學(xué)的新突破。

“如果我們知道如何告知細(xì)胞團，使其按我們的想法行事，最終這將幫助我們實現(xiàn)再生醫(yī)學(xué)的突破，為對抗創(chuàng)傷、出生缺陷、癌癥與衰老找到解決方案，” Levin教授表示，“此前，我們不知道如何預(yù)測、控制不同類型的細(xì)胞來實現(xiàn)目標(biāo)功能。而Xenobot成為我們理解這一點的新平臺?！?/p>

▲第二代Xenobot（綠色）的形成過程（圖片來源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman）

這項進展的另一個意義在于，這是科學(xué)家首次在細(xì)胞或者有機體中觀察到動力學(xué)自我復(fù)制。這種復(fù)制機制在分子層面很常見，但對于有機體，細(xì)胞的生長被認(rèn)為是一切繁衍行為的基礎(chǔ)?！叭藗冋J(rèn)為，我們已經(jīng)找到了生命復(fù)制的所有方式，但這項研究中出現(xiàn)的是此前從未觀察到的新形式?！闭撐墓餐髡?，塔夫茨大學(xué)的Douglas Blackiston博士表示。在研究團隊看來，這種具有全新生命復(fù)制模式的新型機器人，甚至能用于研究地球生命復(fù)制過程的可能起源。

正如論文寫的那樣：“在表面之下，生命還擁有令人驚奇的行為，等待人們發(fā)掘。”而這些其貌不揚的活體機器人，是否還藏了更多尚未被揭開的潛能，它們能為我們帶來怎樣的不同？我們將共同期待。

參考資料：

[1] Sam Kriegman et al., Kinematic self-replication in reconfigurable organisms.PNAS(2021) https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118

[2] Sam Kriegman et al., A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms.PNAS(2020) https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117

[3] Xenobots: Team builds first living robots that can reproduce. Retrieved Nov 29th, 2021 from https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html

來源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯