揭秘“活體”機(jī)器人

◆本刊綜合

數(shù)十億年來(lái)，地球上的生物為延續(xù)生命，已進(jìn)化出多種繁殖方式。組裝機(jī)器人、3D打印機(jī)器人等已不足為奇，但能“繁殖”的機(jī)器人你聽(tīng)說(shuō)過(guò)嗎？美國(guó)佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種全新的生物繁殖方式，他們利用這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了有史以來(lái)第一個(gè)可自我繁殖的活體機(jī)器人——Xenobots 3.0。

圖1 Xenobots 3.0的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（圖/美國(guó)塔夫茨大學(xué) 供）

Xenobots的發(fā)展史

Xenobots 3.0外觀酷似電子游戲中的“吃豆人”，能一邊“吃掉”其他細(xì)胞，一邊實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制。從誕生至今，Xenobots經(jīng)歷了從1.0到3.0的升級(jí)進(jìn)化，實(shí)現(xiàn)了從簡(jiǎn)單行走到自我發(fā)育繁殖的轉(zhuǎn)變。

2020年1月，研究團(tuán)隊(duì)用非洲爪蟾早期胚胎中的細(xì)胞，創(chuàng)造出全球首個(gè)活體機(jī)器人——Xenobots。從基因組織上來(lái)看，活體機(jī)器人由100%青蛙的DNA組成，但它們并非青蛙，而是一款機(jī)器人。這種“活體機(jī)器人”擁有兩條“短腿”，能依靠自主力量朝目標(biāo)移動(dòng)，即便被損壞也能自行復(fù)制和修復(fù)，耗盡能量前能獨(dú)立移動(dòng)約一周時(shí)間。若將機(jī)器人切成兩半，它在自行縫合后也能繼續(xù)活動(dòng)。

2021年3月，Xenobots 2.0活體機(jī)器人問(wèn)世，其外層細(xì)胞能長(zhǎng)出纖毛，可在不同環(huán)境中移動(dòng)且速度更快，存活時(shí)間較第一代增加了3～7天。此外，科學(xué)家在Xenobots的細(xì)胞內(nèi)植入了一個(gè)可發(fā)出綠光的熒光蛋白，在被波長(zhǎng)400納米的光照射后，熒光蛋白的結(jié)構(gòu)開(kāi)始變?yōu)榧t光。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的光控開(kāi)關(guān)，Xenobots被照射后能改變發(fā)光顏色，表明活體機(jī)器人具備記憶能力。

圖2 左為計(jì)算機(jī)所建模型，右為由非洲爪蟾皮膚細(xì)胞（綠色）和心肌細(xì)胞（紅色）構(gòu)建的活體機(jī)器人（圖/佛蒙特大學(xué) 供）

此次全新升級(jí)的Xenobots 3.0既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的動(dòng)物物種，而是一種活的、可編程的有機(jī)體。如果將足夠多的異種機(jī)器人放置在培養(yǎng)皿中，它們會(huì)聚集并開(kāi)始將其他漂浮在溶液中的單個(gè)干細(xì)胞堆疊起來(lái)。于是，多達(dá)數(shù)百個(gè)干細(xì)胞在如同“吃豆人”形狀的“嘴”中，組裝成“嬰兒”異種機(jī)器人。幾天后，這些“嬰兒”就會(huì)變成外觀和動(dòng)作跟母體一樣的新異種機(jī)器人。這些新的Xenobots會(huì)再次尋找細(xì)胞建立自己的“副本”，這樣周而復(fù)始，不斷復(fù)制。

圖3 科學(xué)家用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的多款活體機(jī)器人形態(tài)（圖/佛蒙特大學(xué)）

為了讓異種機(jī)器人在此類復(fù)制中更有效，研究人員利用人工智能技術(shù)測(cè)試了數(shù)十億種體型，其中形似“吃豆人”的Xenobots平均能延續(xù)3代，比球形Xenobots高出1.5倍，產(chǎn)生的“后代”直徑較球形Xenobots后代大50%左右。

前所未有的繁殖方式

生物的繁殖方式可分為無(wú)性生殖和有性生殖。無(wú)論是細(xì)胞分裂還是動(dòng)物通過(guò)精子和卵子結(jié)合的方式，都需要其內(nèi)部積累了足夠資源后再分裂。例如，1個(gè)細(xì)胞需要完成資源積累才能分裂成2個(gè)，而精子和卵子的形成、成熟，以及受精卵的發(fā)育也是如此。

相比之下，病毒的繁殖方式并不依賴自身，而是通過(guò)入侵細(xì)胞后控制和奪取資源。這種方式與科學(xué)家對(duì)未來(lái)機(jī)器人復(fù)制方式的暢想較為符合。最新的Xenobots初步實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法，科學(xué)家將這種繁殖方式稱為自發(fā)運(yùn)動(dòng)的自我復(fù)制，這也是首次在多細(xì)胞生命系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的繁殖方式。活體機(jī)器人產(chǎn)生新個(gè)體的過(guò)程并非繁殖的過(guò)程，而是復(fù)制的過(guò)程。

圖4 母體旋轉(zhuǎn)著一個(gè)大的干細(xì)胞球，它正在成長(zhǎng)為一個(gè)新的“異型機(jī)器人”（圖/CNN報(bào)道配圖）

繁殖意味著存在生長(zhǎng)過(guò)程。但是，活體機(jī)器人Xenobots并沒(méi)有產(chǎn)生一個(gè)需要通過(guò)外界能源和物質(zhì)滋養(yǎng)、成長(zhǎng)的未成熟個(gè)體，而是將其他的干細(xì)胞聚攏在一起，形成自己的復(fù)制品。

會(huì)對(duì)人類社會(huì)構(gòu)成威脅嗎

答案是否定的。

Xenobots細(xì)胞可以在室溫下存活，在沒(méi)有任何外部食物儲(chǔ)備的情況下，最多能存活10～14天。如果沒(méi)有為這個(gè)系統(tǒng)提供豐富的青蛙干細(xì)胞來(lái)源，系統(tǒng)就會(huì)崩潰，并于14天后分解。所以，失去外界幫助，這種細(xì)胞是無(wú)法繁殖的。而且，這些機(jī)器人完全被限制在實(shí)驗(yàn)室中，可進(jìn)行生物降解。

研究者指出，Xenobots自我繁殖現(xiàn)象在某種程度上是短暫的，自我復(fù)制只能持續(xù)1～2代，不能無(wú)限繁殖。盡管目前人們把Xenobots稱為“活體”

未來(lái)能否為人類所用

機(jī)器人，不過(guò)，它究竟是一種機(jī)器，還是一種全新形態(tài)的生物體，還存在一些爭(zhēng)議。

這種“活體”機(jī)器人介于生物和機(jī)器之間，在行為模式上與已有的機(jī)器人類似。

現(xiàn)階段，研究者們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里造出的“活體”機(jī)器人并沒(méi)有離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室在自然界獨(dú)立生存的能力，這意味著，自然界中不存在讓活體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制的條件。短時(shí)間內(nèi)，它很難對(duì)生物圈乃至人類社會(huì)產(chǎn)生威脅。

人類通過(guò)深入了解類似Xenobots可重構(gòu)有機(jī)體有助于更精準(zhǔn)地控制細(xì)胞行為。研究人員表示，這種分子生物學(xué)和人工智能的結(jié)合，可能被用于人體醫(yī)學(xué)和地球環(huán)境中的多種任務(wù)——包括降解海洋中的微塑料顆粒、根系檢查和再生醫(yī)學(xué)等，唯一需要解決的是找到預(yù)測(cè)和控制Xenobots的方法。

未來(lái)，人類可以通過(guò)編程讓它們清除水體中的微塑料，將靶向藥物運(yùn)送到患者體內(nèi)，以及助力疫苗研發(fā)等?！盎铙w”機(jī)器人或許還可為外傷、先天缺陷、癌癥、衰老等提供更直接、更個(gè)性化的治療，這些目標(biāo)“未來(lái)可期”，但現(xiàn)階段的研究成果距臨床應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。