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科学家用青蛙干细胞造活体机器人

2020-01-15 09:21:16  来源:新浪科技

北京时间1月15日消息,据国外媒体报道,在进化算法的帮助下,科学家用非洲爪蟾的皮肤细胞和心脏细胞造出了一种新型“活体机器人”,将其命名为xenobots(爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和机器人“robots”两个词的结合)。在显微镜下,这些小小的“肉团”在液体中忙个不停,时而向前,时而往后,时而转圈圈。只要往其中滴入一些细胞碎屑,它们就会将碎屑聚拢成一堆。如果在某个小“肉团”的背上轻弹一下,它就会立即躺倒,像只四脚朝天的乌龟。

它们的行为令人联想起追逐猎物的扁虫和水熊虫。水熊虫体型虽小,却五脏俱全,能完成一系列复杂行为,但这些xenobots与水熊虫并不是一回事,毕竟它只包含两种成分:爪蟾的皮肤细胞和心脏细胞。

研究人员希望这种由收缩细胞和被动细胞构成的新型生物体、以及它们的奇特行为可以帮助科学家揭开细胞交流之谜。

此次研究的共同作者、塔夫茨大学发展生物物理学家迈克尔·莱文指出,细胞之间的合作方式向来是“一大谜团”。“我们最感兴趣的是,细胞究竟是如何通过合作、组成特定功能结构的。”一旦弄清了这一点,他们也许还能更进一步、发掘更多细胞的神秘潜能。

在细胞本身、以及一些高级算法的“帮助”下,莱文和同事们开始共同设计xenobots。他们先从爪蟾胚胎中提取了干细胞,然后使干细胞分化成能够自然收缩的心脏细胞和无法自然收缩的皮肤细胞。接着,他们利用细胞天生容易与其它细胞结合的特性,在显微镜下将这两种成分结合在一起。最后的成品形状各异,有些像楔子,有些像拱门。在本文附带的动图中,上方的蓝绿色方块代表被动细胞,下方时红时绿的方块则代表主动收缩细胞。

上方为计算机设计的机器人,下方为对应的xenobots。

上方为计算机设计的机器人,下方为对应的xenobots。

Xenobots四处移动时,研究人员可以观察其独特的结构与行为之间的对应关系,包括细胞的排列方式和“肉团”的整体形状等等。他们将这些信息发给了一支由计算机科学家组成的团队,后者据此搭建了一个虚拟模型,供数字版本的xenobots在其中活动。接着,这些科学家运用了类似于自然选择过程的进化算法,观察xenobots的结构对它们的生存有何影响。这套系统尝试以多种方法操纵xenobots的设计,看看这些新设计会如何影响它们的功能。在模拟中能出色完成特定任务的xenobots会被定义为自然选择中的“适者”,可以与其它表现出色的同类进行交配,生成“进化版”的新一代xenobots。

在此基础上,莱文和同事们试着将这些数字设计变成现实。失败的作品弃之不理,成功的作品则被发送给刚才提到的计算机科学家,让他们根据实验室人员了解到的信息进一步调整模拟系统。

这些没有大脑的“肉团”的行为非常诡异。“它们会时不时地改变自己的运动方式。”莱文指出。如果遇上了其它单独存在的细胞,它们便会将这些细胞驱赶、聚拢到一处。假如将一个xenobot切开,它还可以自动愈合,就像电影《终结者2》中的T-1000一样。两个xenobot可能会与对方结合,如同一对“神仙眷侣”。如果xenobot中间有个洞,甚至还能拾起其它物体、带着它四处移动。

进化算法设计出了多种形式的xenobots。

进化算法设计出了多种形式的xenobots。

莱文和同事们想弄清的是,xenobot的细胞(或者说所有细胞)是如何互相交流、产生各种复杂行为的。“最重要的是,我们还想知道如何控制细胞之间的交流。”xenobot是一种独一无二的生物体,它既是由活细胞组成的生物,又是一台可被研究人员编辑、表现出特定行为的机器。实验中使用的爪蟾细胞本身并不特殊,它们共同表现出的行为才是最令人震惊之处。

接下来,我们可以重新思考一下未来机器人的发展方向。目前的类人型机器人通常由一系列笨重的零件构成,最后组成一个可以四处行走、操作物体的整体。但人体远比这智能得多,细胞之间可以相互交流、构成组织,组织构成器官,器官构成整个人体。“我们很想把此次研究得到的信息应用到工程学和人工智能领域。”

但这条路必将道阻且长。“用活体组织构建机器人与‘软机器人’领域面临着许多相同的挑战。”奥斯陆大学的进化机器人专家托恩斯·尼高(Tønnes Nygaard)指出。现实世界十分混乱嘈杂,任何机器人都难以适应,更别提用活细胞造出的机器人了。但这类进化技术的优势在于,机器人能像真正的生物一样学会适应环境,尽管仍要由人类提供指导。

所以,让我们对“机器-生物混合体”—— xenobots表示热烈欢迎吧,祝它们在这世上一帆风顺。(叶子)

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