Xenobots團隊建造了第一個可以繁殖的活體機器人

為了堅持，生命必須繁衍。數十億年來，生物體已經進化出多種復制方式，從萌芽植物到有性動物再到入侵病毒。現在，科學家們發現了一種全新的生物繁殖形式——并將他們的發現應用于創造了有史以來第一個自我復制的活體機器人。

建造第一個活體機器人(“Xenobots”，由青蛙細胞組裝——于2020年報道)的團隊發現，這些計算機設計和手工組裝的生物可以游到它們的小盤子里，找到單個細胞，收集數百個將它們放在一起，并在它們的吃豆人形狀的“嘴”中組裝“嬰兒”異種機器人——幾天后，它們就會變成外觀和動作都和自己一樣的新異種機器人。

然后這些新的Xenobots可以出去，尋找細胞，并建立自己的副本。一次又一次。

“有了正確的設計——它們會自發地進行自我復制，”佛蒙特大學計算機科學家和機器人專家喬舒亞·邦加德(JoshuaBongard)說，他是這項新研究的共同領導者。

新研究的結果于2021年11月29日發表在《國家科學院院刊》上。

在非洲爪蟾青蛙中，這些胚胎細胞會發育成皮膚。“它們會坐在蝌蚪的外面，阻擋病原體并重新分配粘液，”塔夫茨大學艾倫探索中心的生物學教授兼主任、這項新研究的共同負責人邁克爾萊文說。“但我們將它們置于一個新的環境中。我們讓它們有機會重新想象它們的多細胞性。”

他們想象的東西與皮膚大不相同。“很長一段時間以來，人們一直認為我們已經找到了生命可以繁殖或復制的所有方式。但這是以前從未觀察到的，”共同作者、塔夫斯大學高級科學家道格拉斯布萊克斯頓說。組裝了異種機器人“父母”并開發了新研究的生物學部分。

“這是深刻的，”萊文說。“這些細胞具有青蛙的基因組，但它們不會變成蝌蚪，而是利用集體智慧，一種可塑性，去做一些令人震驚的事情。”在早期的實驗中，科學家們驚訝于Xenobots可以設計成完成簡單的任務。現在他們驚訝于這些生物對象——一個計算機設計的細胞集合——會自發地復制。“我們擁有完整的、未改變的青蛙基因組，”萊文說，“但它沒有暗示這些細胞可以共同完成這項新任務，”收集分離的細胞，然后將其壓縮成工作的自我復制品。

“這些青蛙細胞的復制方式與青蛙的復制方式大不相同。科學上已知的任何動物或植物都不會以這種方式復制，”這項新研究的主要作者、完成博士學位的SamKriegman說。.在UVM的Bongard實驗室工作，現在是塔夫特艾倫中心和哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的博士后研究員。

由大約3,000個細胞組成的Xenobot親本自身形成了一個球體。“這些可以生孩子，但之后系統通常會消亡。實際上，讓系統繼續繁殖非常困難，”克里格曼說。但是，通過在UVM的佛蒙特州高級計算核心的DeepGreen超級計算機集群上運行的人工智能程序，進化算法能夠在模擬中測試數十億種體型——三角形、正方形、金字塔、海星——以找到允許細胞在新研究中報告的基于運動的“運動學”復制中更有效。

“我們讓UVM的超級計算機弄清楚如何調整最初父母的形狀，經過幾個月的努力，人工智能想出了一些奇怪的設計，包括一個類似于吃豆人的設計，”克里格曼說。“這是非常不直觀的。它看起來很簡單，但它不是人類工程師會想出的。為什么只有一張小嘴?為什么不是五個?我們將結果發送給道格，他建造了這些吃豆人形狀的父母異種機器人……然后那些父母生了孩子，生了孫子，生了曾孫，又生了曾曾孫。”換句話說，正確的設計極大地延長了世代數。

運動復制在分子水平上是眾所周知的——但以前從未在整個細胞或生物體的規模上觀察到過。

“我們發現生物體或生命系統內存在這個以前未知的空間，這是一個廣闊的空間，”UVM工程與數學科學學院的教授Bongard說。“然后我們如何去探索那個空間?我們發現了會走路的異種機器人。我們發現了會游泳的異種機器人。現在，在這項研究中，我們發現了可以運動復制的異種機器人。還有什么?”

或者，正如科學家們在《國家科學院院刊》研究中所寫的那樣：“生命在表面之下隱藏著令人驚訝的行為，等待被發現。”

應對風險

有些人可能會覺得這很令人振奮。其他人可能會對自我復制生物技術的概念感到擔憂，甚至恐懼。對于科學家團隊來說，目標是更深入的了解。

“我們正在努力了解這個特性：復制。世界和技術正在迅速變化。對于整個社會來說，我們研究和了解它是如何運作的很重要，”邦加德說。這些毫米大小的活體機器完全包含在實驗室中，很容易熄滅，并由聯邦、州和機構倫理專家審查，“并不是讓我徹夜難眠的原因。帶來風險的是下一次大流行;加速污染對生態系統的破壞;來自氣候變化的威脅加劇，”UVM的Bongard說。“這是研究自我復制系統的理想系統。我們有道德義務去了解我們可以控制它、引導它、消滅它、夸大它的條件。”

Bongard指出了COVID流行病和疫苗的尋找。“我們產生解決方案的速度非常重要。如果我們能夠開發技術，向Xenobots學習，我們可以在那里快速告訴人工智能：‘我們需要一種生物工具，可以做X和Y并抑制Z，’——那可能非常有益。今天，這需要非常長的時間。”該團隊的目標是加快人們從發現問題到產生解決方案的速度——“比如部署活體機器將微塑料從水道中拉出或制造新藥，”邦加德說。

“我們需要創造與我們面臨的挑戰保持同步增長的技術解決方案，”Bongard說。

該團隊在研究中看到了再生醫學進步的希望。“如果我們知道如何告訴細胞集合做我們想讓它們做的事情，那最終就是再生醫學——這就是外傷、先天缺陷、癌癥和衰老的解決方案，”萊文說。“所有這些不同的問題都在這里，因為我們不知道如何預測和控制將要構建的細胞群。Xenobots是一個新的教學平臺。”