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或为环保和医药界“未来之星”

来源: | 2021-12-05 11:10:52 | 人气:

导读:几十亿年来,所有的生命系统都是通过体内或体表的生长、分裂、萌芽与诞生从而进行繁衍。近日,来自美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的研究团队探索出一种独特的生物繁殖方式,并在这一

几十亿年来,所有的生命系统都是通过体内或体表的生长、分裂、萌芽与诞生从而进行繁衍。

近日,来自美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的研究团队探索出一种独特的生物繁殖方式,并在这一方式的基础上,将人工智能和生物学相结合,最终研制出世界上第一个可自我繁殖的活体机器人,称做 Xenobots 3.0。

该团队表示,“未来,Xenobots 3.0 机器人有望为先天缺陷、癌症、衰老等患者带来更个性化的治疗。”

11 月 29 日,相关研究论文以《可重构生物的运动自复制》(Kinematic self-replication in reconfigurable organisms)为题发表在 PNAS 上[1],美国佛蒙特大学计算机科学和机器人学教授乔什·邦加德(Josh Bongard)为该论文的通讯作者。

世界首个自我繁殖活体机器人问世,或为环保和医药界“未来之星”

图 | 相关研究论文(来源:PNAS)

他们发现,合成的多细胞组装体能够依赖移动和压缩环境中的游离细胞,形成功能性的自我复制,从而进行运动复制。这是以前在任何生物体中都未出现过的繁殖方式,是在几天内自发产生的,而不是在几千年内进化的。

世界首个自我繁殖活体机器人问世,或为环保和医药界“未来之星”

图 | 细胞自发的运动自我复制(来源:PNAS)

该团队还展示了如何利用人工智能来设计程序集,以延迟复制能力的丧失,并利用复制带来的其他附带效果进行有用的工作。

这表明,在没有选择或基因工程的情况下,野生型生物可以快速获得其他独特和有用的表型,从而拓宽人类对复制发生的条件、表型可塑性以及如何实现有用的复制机器等问题的理解。

据了解,最早的 Xenobots 诞生于 2020 年。Xenobots 在制作材料上与传统机器人最大的差异在于:Xenobots 是百分百使用青蛙细胞制造出,而不是常见的金属、混凝土或塑料。

该团队首先提取出青蛙的胚胎干细胞,在其分化成心脏及皮肤活细胞后,将这些活细胞放在佛蒙特大学的超级计算机上,通过进化算法对其进行程序设计,接着塔夫茨大学的生物学家参与进来,将细胞组装成完整的机构,最终研制出世界首个活体机器人 Xenobots。

“出世”后的 Xenobots 仅几毫米大,可以连着 7 天根据计算机所设计好的路径单独移动,且能够负载一定的重量,并会在“寿命”耗尽时进行自然分解。

值得一提的是,研究者们将 Xenobots 切开后发现,该机器人竟然能够自我复原,并在恢复正常后继续沿着原本的路径向前移动。这大大超出了普通机器人所能做到的极限。

今年 3 月,研究者们对该机器人进行升级,推出了 Xenobots 2.0 活体机器人。

Xenobots 2.0 的突破主要在于,其组装形式从“自上而下”转为“自下而上”,并使用自行长出的纤毛“腿”移动,速度变得更快。此外,Xenobots 2.0 形成了记忆力,寿命相较上一代的 Xenobots 也有所增长,正常能存活 10 天,有额外能量加持时可运行数月。

而此次问世的 Xenobots 3.0 不仅是一种有生命的、可编程的活体机器人,而且能够进行自我繁殖,突破了传统的生物繁殖认知。

世界首个自我繁殖活体机器人问世,或为环保和医药界“未来之星”

图 | Xenobots 3.0 机器人进行自我繁殖(来源:PNAS)

研究者们发现,在将大量 Xenobots 3.0 机器人放到培养皿中后,这些机器人会相互接近以聚集在一起,并将其他漂浮在培养皿中的单个干细胞叠加起来。

接着,这些叠加在一起的干细胞会在 Xenobots 3.0 的“嘴巴”里组装成“婴儿”版活体机器人。短短几天后,这些“婴儿”版活体机器人便会成长为研究者们所构建的 Xenobots 3.0 机器人。

而这些由 Xenobots 3.0 机器人自身构建出的机器人会再次叠加遇到的单个干细胞,继续组装出更多“婴儿”版活体机器人,就这样循环往复,形成一个繁殖的过程。

为让 Xenobots 3.0 机器人能够更好地进行繁殖,研究者们通过 AI 技术测试了几十亿种不同形态的机器人,终于选出最合适的形态,即与“吃豆人”相似的一种形态。在此形态下,该机器人能够更有效地在培养皿中找到干细胞,以完成叠加和组装的繁殖工作。

世界首个自我繁殖活体机器人问世,或为环保和医药界“未来之星”

图 | 吃豆人(来源:Pixabay)

邦加德表示,“异种机器人最初是球形的,由大约 3000 个细胞组成。分子水平上的动力学复制是众所周知的,但以前从未在整个细胞或生物体的水平上观察到过,而此次 Xenobots 3.0 的复制正是运用了这一机制。”

然而,活体机器人能够自我繁殖的研究引来公众的一片舆论。不少人担心,这种机器人会越过研究人员的管束,为人类社会带来不良后果。

对此,研究人员们表示, Xenobots 3.0 属于可降解机器人,很容易被清理掉,一般都严格保存在实验室里,且该机器人已通过美国伦理专家们的审查。

此外,邦加德称,“Xenobots 3.0 机器人是环保和医药界的‘未来之星’,其或可用于人体等复杂环境下的许多任务,如收集海洋中的微塑料、检查根系和再生医学等。”


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