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  视学算法报道  

编辑：桃子、David

【新智元导读】活体机器人「生娃」？全球首次，实属罕见！2020年1月，美国科学家利用从青蛙胚胎中提取的活细胞，创造出全球首个活体机器人Xenobot。现在，这个活体机器人可以像「吃豆人」一样繁殖。

全球首次，实属罕见！

在生孩子这件事儿上，美国科学家创造了奇迹：让机器人「生娃」。

你没看错，世界上第一个「活体机器人」正在繁衍...

当这些酷似「吃豆人」的机器人「父母」在环境中移动时，它们会在「嘴巴」中收集数百个干细胞。

随着时间的推移，这些干细胞会聚集在一起，形成机器人宝宝，发育成熟之后，看起来就像它们的父母一样。

这是由来自佛蒙特大学、塔夫茨大学以及哈佛大学 Wyss研究所的科学家们发现的一种全新生物繁殖形式，并创造了有史以来第一个「自我复制」的活体机器人。

目前，这项研究已于10月22日发表在 PNAS 上。

论文地址：

https://www.pnas.org/content/pnas/118/49/e2112672118.full.pdf

该研究的合著者、塔夫茨大学的资深科学家 Douglas Blackiston 表示，「长期以来，人们一直认为我们已经找到了生命可以繁殖或复制的所有方式。但这次我们的发现是之前从未见过的。」

全球首次！活体机器人「生娃」

本来，非洲爪蟾蛙的这些胚胎细胞会发育成皮肤。但它会挡在蝌蚪的外面，阻挡病原体并重新分配粘液。

研究人员这次将这些胚胎细胞置于一个新的环境下，让其有机会重新利用这个「多细胞性」。

这次，这些胚胎细胞要发育的目标和皮肤大不相同。

「这些青蛙细胞的复制方式与以往大不相同。科学上已知的任何动植物都不会以这种方式复制」，这项新研究的主要作者 Sam Kriegman 博士说。

最初，由大约 3000 个细胞组成的爪蟾机器人（Xenobot）亲本形成了一个球体。大约 3 天后，球体外表面上会形成纤毛。

当产生的成熟细胞群处于培养皿中约 60000 个分离的干细胞中时，它们的集体运动将一些细胞推到一堆。

如果这个「堆」足够大，这些细胞群就能发育成会游泳、带纤毛的后代。如果分离干细胞更多，则会产生更多的后代。

不过，这个复制过程最多持续两轮。是否会停止取决于适合青蛙胚胎发育的温度范围、解离细胞的浓度、成熟生物的数量和随机行为、溶液的粘度、培养皿的几何形状表面，以及污染的可能性。

确实，就像研究论文作者之一Sam Kriegman 博士所说：「这些机器人可以生孩子，但之后这个复制系统很快就会消亡。要让系统继续复制非常困难」。

看来，球体结构不利于机器人的生殖系统的复制，怎么办？试试别的形状！

这正是AI入场的好时候。

通过 Deep Green 超级计算机集群上运行的AI程序，进化算法在模拟中对数十亿种形状进行了测试——三角形、正方形、金字塔、海星形——让细胞在复制中的效率更高。

研究人员使用一种进化算法，从随机群开始，进化出具有增加自我复制能力的细胞群。（ FG = 给定群体实现的子代数。小数部分表示群体距离实现另一轮复制的距离。）

这个进化试验中最成功的世系起源于一个球体，它构建的桩不超过 74% 自我复制所需的大小阈值。

爪蟾机器人（Xenobot）能够在培养皿中找到微小的干细胞并将数百个干细胞聚集在「嘴」(指C型的缺口) 里，几天后这组干细胞就会裂变成新的爪蟾机器人。

「我们利用超算弄清楚了如何调整最初父母亲本的形状。经过几个月努力，AI想出了一些奇怪的设计，包括一个类似于「吃豆人」的形状。这种设计相当违反直觉，它看起来很简单，但人类工程师想不出来。」Sam Kriegman说。

比如，为什么是一张嘴？为什么不是5张嘴？不过，形状虽然看起来有点奇怪，但效果很好。经测试，这个「吃豆人」形状大大延长了Xenobot 机器人复制系统的寿命。

实验表明，在经历AI算法筛选出的「吃豆人」形状下，机器人的自我复制系统寿命，由最多2代增加到了4代。

现在，这些机器人的儿子能生孙子，孙子又生了曾孙，繁殖还在继续......

众所周知，运动学复制在分子水平上是众所周知的，但以前从未在整个细胞或生物体的尺度上观察到。

Douglas表示，「我们已经发现，在生命系统中存在着一个未知的空间。我们如何去探索那个空间？我们发现了会走路的机器人；我们发现了会游泳的机器人。现在，我们又发现了可以运动、可以自我复制的异形机器人。未来还会有什么发现呢?」

诚如研究人员所说，「在生命的表面之下，还隐藏着更多令人惊讶的行为，等待我们去发现。」

回顾：可编程「活体机器人」的诞生

大多数人都会认为机器人是由金属和陶瓷制成的，不过爪蟾机器人同时也是由青蛙细胞制造的有机体。

2020年，还是这群美国科学家，首次利用从青蛙胚胎中提取的活细胞，创造出第一个有生命的机器。

这些毫米级的「活体机器人」（xenobots）可以朝目标移动，也可以携带一个有效载荷（例如需要运送到患者体内特定位置的药物），还能在切割后自行愈合。

在UVM的超级计算机集群上进行了数月的处理之后，该团队（包括主要作者和博士生Sam Kriegman）使用了一种进化算法，为新的生命形式创建了数千个候选设计。

为了完成科学家们布置的任务，比如朝一个方向移动，计算机会一遍又一遍地将几百个模拟细胞重组成各种形状和体型。

从随机构造开始

首先，他们采集非洲爪蟾（学名「Xenopus laevis」）胚胎中的干细胞，并将它们分离成单个细胞，然后进行孵化。

接着，使用微型镊子和一个更小的电极，将细胞切割并在显微镜下连接到计算机所指定的设计中。

这些细胞组装成自然界中从未见过的身体形态，开始协同工作。

皮肤细胞形成了一个更被动的结构，而心肌细胞曾经的随机收缩被用于创造有序的向前运动，这是在计算机设计的指导下，并借助于自发的自组织模式，使机器人能够自行移动。

机器人自行移动

此外，在实验中，科学家就将活体机器人切开两半，观察究竟会发生什么。

Bongard表示，「我们发现，它会把自己重新缝合起来，然后继续前进。这是一般机器无法做到的。」

切开后可自愈

论文合著者Levin表示，这些青蛙细胞可以被打造成有趣的新的生物形式，与它们的原有解剖结构完全不同。

构建活体活体机器人，是迈向破解所谓「形态学代码」的一小步，更是向着更深入了解生物的整体组织方式，及其计算和存储信息的方式迈出了一大步。

机器人「生娃」，恐惧？兴奋？

美国科学家首次实现了让活体机器人繁育，有些人可能会觉得这令人振奋。

Bongard表示，「我们正在努力理解这个属性: 复制。世界和技术正在迅速变化，对于整个社会而言，我们研究并理解这种现象是如何发生的，这一点非常重要。」

团队的目标是加快人们从认识问题到给出解决方案的转变速度，比如利用活体机器人把塑料微粒从下水道中拉出来，或者制造新的药物。

研究团队看到了活体机器人朝着再生医学发展的前景。

Levin解释道，「如果我们知道如何告诉细胞集合做我们想让它们做的事情，最终，那就是再生医学，比如创伤性损伤、出生缺陷、癌症和衰老的解决方案。这些问题的存在是因为我们不知道们不知道如何预测和控制细胞群的构建。」

然而，有些人可能会对可自我复制的生物技术的概念感到担忧，甚至感到恐惧，比如一些网友。

「人类覆灭将至，感谢天网」。

Xenobot：我会转圈、会繁殖。

人类：它们会杀了我们。

俗话说得好，「今天转转圈，明天 T1000」。

不知你是否看过《异星灾变》（Raised by Wolves）这部科幻美剧，一个Mother，一个Father ，这2个机器人授命在一个神秘星球抚育人类后代，

剧情演变到最后，机器人母亲怀孕，生出了一个像蛇又像鳗鱼的奇怪物种。

看来，机器人生娃这件事还真是不敢恭维...不知各位网友，是期待多一点，还是害怕多一点？

参考资料：

https://wyss.harvard.edu/news/team-builds-first-living-robots-that-can-reproduce/

https://thenextweb.com/news/living-robots-can-now-reproduce-xenobots-self-replicate

https://arstechnica.com/science/2021/11/mobile-clusters-of-cells-can-help-assemble-a-mini-version-of-themselves/

https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html

https://www.youtube.com/watch?v=aBYtBXaxsOw

https://www.youtube.com/watch?v=zuo2DP72vKQ

点个在看 paper不断！