全球首個(gè)可繁殖活體機(jī)器人問世：AI參與設(shè)計(jì)，已自我繁殖4代

本文約1800字，建議閱讀5分鐘
本文我們將討論有史以來第一款可自我繁衍的活體機(jī)器人。

你或許聽過制造機(jī)器人、組裝機(jī)器人、3D 打印機(jī)器人，但你聽過“繁殖機(jī)器人”嗎？

為了永續(xù)生存，生命必須繁衍。數(shù)十億年來，地球上的生物體已經(jīng)進(jìn)化出了多種繁殖方式，如今機(jī)器人也能做到自我復(fù)制并繁殖后代。

近日，來自美國佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了有史以來第一款可自我繁衍的活體機(jī)器人，它們的外觀酷似 80 年代的電子游戲《吃豆人》，能夠一邊“吃掉”其他細(xì)胞，一邊實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制！

相關(guān)研究論文以“Kinematic self-replication in reconfigurable organisms”為題，已發(fā)表在科學(xué)期刊《美國科學(xué)院院刊》上。

據(jù)論文描述，這一創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)有望在未來為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個(gè)性化的藥物治療。

世界首個(gè)活體機(jī)器人

在你的印象中，機(jī)器人應(yīng)該是怎樣的？

是這樣的？

這樣的？

還是這樣的？

但其實(shí)，機(jī)器人也還可以是這樣的。

這就是世界上首個(gè)活體機(jī)器人“Xenobot”。

可以說，它完全打破了人們對(duì)于機(jī)器人的固有印象。Xenobot 并非由金屬或任何軟性“無生命”材料制作而成，而是一種從生物細(xì)胞中提取并經(jīng)過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的活體機(jī)器人。

那么，它是如何被創(chuàng)造出的？

大概從農(nóng)業(yè)誕生之日起，人類就一直在努力了解其他生物以為自己所用，如今基因編輯也變得越來越普遍，科學(xué)家們也已經(jīng)嘗試組裝了一些人工生物，即復(fù)制已知?jiǎng)游锏纳眢w形態(tài)。

在這一研究中，該團(tuán)隊(duì)思考：我們是否能夠利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，基于機(jī)器人，從頭到尾，徹底地創(chuàng)造出一種全新的生物體？

于是，研究團(tuán)隊(duì)選定了一種由非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎干細(xì)胞分化出的心肌細(xì)胞和皮膚細(xì)胞組成的細(xì)胞團(tuán)作為初始生物體，其中心肌細(xì)胞為細(xì)胞團(tuán)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，而皮膚細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐。

他們花費(fèi)數(shù)月時(shí)間，使用進(jìn)化算法，終于在佛蒙特大學(xué)佛蒙特州高級(jí)計(jì)算核心的 Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上為新生命形式找到了最佳設(shè)計(jì)形態(tài)，并賦予了它們能夠完成特定任務(wù)的能力，比如在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)、搬運(yùn)物體等。

圖｜計(jì)算機(jī)利用兩種細(xì)胞的組合，形成全新的活體機(jī)器人“Xenobot”（來源：該論文）

但是，研究人員也表示，這種“有生命的，可編程的新型有機(jī)體”目前還比較初級(jí)，其中一個(gè)重要問題就是：細(xì)胞團(tuán)無法自我復(fù)制，一旦自身的能量耗盡，它們就會(huì)“死亡”、被降解。

復(fù)制繁殖？難不倒“吃豆人”！

實(shí)際上，幾乎所有生物都通過生長然后生產(chǎn)后代來進(jìn)行復(fù)制繁殖。

復(fù)制已經(jīng)演變成許多不同的形式：裂變、孢子形成、無性生殖、有性繁殖、雌雄同體和病毒繁殖，而這些不同的過程有一個(gè)共同的特性：所有過程都是在生物體內(nèi)進(jìn)行。

但對(duì) Xenobot 來說，科學(xué)家認(rèn)為最佳的復(fù)制方式，其實(shí)是在體外不斷“吃”新細(xì)胞。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將包含 3000 個(gè)細(xì)胞的 Xenobot 放在培養(yǎng)皿中，之后這些細(xì)胞團(tuán)表面的纖毛就如同細(xì)菌的鞭毛，推動(dòng)著它們按照設(shè)計(jì)的方向螺旋游動(dòng)。

令人驚訝的是，在此過程中，它們會(huì)推動(dòng)四處分布的干細(xì)胞，將它們聚集在一起，堆積的細(xì)胞不斷增多，只在 5 天之內(nèi)，就能形成一個(gè)比第一代更小、更接近球形的全新細(xì)胞團(tuán)——二代 Xenobot。

不過，這樣的繁衍只能夠持續(xù) 1-2 代。

那么，又該如何延長繁衍代數(shù)呢？

研究人員想到了人工智能。通過在 Deep Green 超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上運(yùn)行的人工智能程序，進(jìn)化算法在模擬實(shí)驗(yàn)中測試出數(shù)十億種細(xì)胞形態(tài)。不過最終，人工智能“絞盡腦汁”，得到了一個(gè)類似于吃豆人的最佳設(shè)計(jì)。

在基于該形態(tài)構(gòu)建出全新的母體 Xenobot 之后，研究人員再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些機(jī)器人不斷運(yùn)動(dòng)，C 字型的“嘴”里不斷在復(fù)制出新的“后代”。

最后，它們最多已經(jīng)能夠繁衍 4 代，而“后代”直徑也比球形 Xenobot 的后代大 50% 左右！

也就是說，人工智能算法終于找到了正確的設(shè)計(jì)，這極大地延長了繁殖和復(fù)制的世代數(shù)。正如本研究共同領(lǐng)導(dǎo)者、佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家和機(jī)器人專家 Joshua Bongard 所說：“有了正確的設(shè)計(jì)，Xenobot3.0完全能夠自發(fā)地進(jìn)行自我復(fù)制。”

世界首例，喜還是憂？

“這是令人震撼的，”團(tuán)隊(duì)另一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者、生物學(xué)教授 Michael Levin 說，“這些細(xì)胞具有青蛙的基因組，但它們不會(huì)變成蝌蚪，而是擁有超強(qiáng)的可塑性，其復(fù)制方式與科學(xué)上已知的任何動(dòng)物或植物都不同。”

然而，也有一部分人對(duì)自我復(fù)制生物技術(shù)感到擔(dān)憂甚至恐懼，這就像 AI 忽然擁有自我意識(shí)一樣。

但該團(tuán)隊(duì)聲明，這些毫米大小的活體機(jī)器人受控于實(shí)驗(yàn)室條件，會(huì)很容易被銷毀。

不過，雖然會(huì)有擔(dān)憂與風(fēng)險(xiǎn)，我們也不能完全忽視這一研究的重要成果，它可能應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)，新型活體機(jī)器人或許能夠成為智能藥物輸送或內(nèi)外科手術(shù)的新型載體，為外傷、先天缺陷、癌癥和衰老等疾病的治療提供更佳解決方案，甚至可能對(duì)新冠疫苗研發(fā)有所幫助。

此外，該研究也打破了人們對(duì)于生命繁衍的固有認(rèn)知，人們首次觀察到了一種新的繁衍方式。正如研究人員在論文中所寫的那樣：

“生命在表面之下隱藏著眾多令人驚訝的行為，還等待被發(fā)現(xiàn)。”

參考資料：
https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118
https://techxplore.com/news/2020-01-team-robots.html

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1910837117

編輯：于騰凱