智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 屈望苗
編輯 | 江心白
智東西4月1日消息，據外媒Tech Xplore報道，來自美國塔弗茨大學（Tufts University）和佛蒙特大學（University of Vermont，UVM）的研發團隊成功開發了第二代微型生物機器人“Xenobots”，同樣基於非洲爪蟾細胞構建。
但與第一代相比，第二代Xenobots不僅能實現單細胞的自主組合，它的移速還更快，信息讀寫功能和自愈能力也大大增強。
目前，這一最新研究成果已於美國時間3月31日發表在《科學·機器人學（Science Robotics）》期刊上，論文題目為《一個用於開發合成生命機器的細胞平台（A cellular platform for the development of synthetic living machines）》。
論文鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571
早在去年1月，該團隊發佈的全球首個活體機器人Xenobots就已登上頂級期刊《美國科學院院報（PNAS）》封面，該研究提出並實現了用計算機設計生物體的概念，用生物材料代替金屬、塑料等人工材料來構建機器人。
從細胞構建上看，第一代Xenobots採用了“自上而下”的構造方式，通過手工重組青蛙皮膚和心臟細胞，使心臟細胞在底層收縮來實現機器人的移動。
相比之下，第二代Xenobots則採用 “自下而上”的方法進行構造，由單個的細胞自主形成生物體。塔夫茨大學生物學家用非洲的一種青蛙——非洲爪蟾（Xenopus laevis，這也是Xenobots名字的由來）的胚胎幹細胞進行生長和增殖，幾天後一些幹細胞就分化形成了纖毛。這些能移動、旋轉的纖毛充當了第二代Xenobots的“腿”，使它無需肌肉細胞就能快速移動。
由於構造升級，第二代Xenobots的移速更快，壽命更長，也能更好地適應各種環境。
“我們見證了細胞組織非凡的可塑性——它們違背常識，構建了一個新的青蛙‘身體’，並且這隻青蛙的基因組完全正常。” 塔夫茨大學著名生物學教授Michael Levin説。“在正常的青蛙胚胎中，細胞增殖分化形成蝌蚪。而現在我們看到細胞可以重新分化，形成纖毛來實現運動功能。令人驚訝的是，細胞可以自發承擔新的角色，創造新的身體和行為，而不需要長時間的進化選擇。”
“在某種程度上，第二代Xenobots與傳統機器人的構造很相似，我們只是用細胞和組織來代替人造組件，以構建形狀和創造可預測的行為。”資深科學家Doug Blackiston説。“在生物學上，這種方法更好地解釋了細胞在發育過程中如何相互作用，以及我們如何更好地控制這些作用。”
二、新型的Xenobots或可用於收集微粒這個團隊由計算機科學家和機器人專家Josh Bongard領導，通過先進計算核的Deep Green超級計算機集羣，在數十萬隨機環境條件下運行進化算法，以測試不同形狀、單獨或羣體的Xenobots是否會表現出不同的行為，並分辨哪些Xenobots羣體最適合在粒子場中共同工作，收集大量碎片。
結果表明，與第一代Xenobots 相比，第二代Xenobots在完成垃圾收集等任務的表現更好。一方面，第二代Xenobots能成羣結隊地掃過培養皿，收集大堆的氧化鐵微粒；另一方面，它們既可以在大型平面上工作，也可以穿過狹窄的毛細血管。
不僅如此，他們的研究表明，未來硅模擬可以優化生物機器人的附加功能，以生成更復雜的行為。
“儘管目前第二代Xenobots的任務都很簡單，但我們的最終目標是開發一種新型的生活工具，讓它們做更多實際有用的工作，例如清理海洋中的微塑料或土壤污染物。”Bongard説。
三、通過熒光報告蛋白構建讀寫功能機器人技術最大的特徵之一是能夠記錄信息，並根據這些信息控制機器人的行為。
在這一方面，研究團隊通過一種名為EosFP的熒光報告蛋白來記錄信息，這種蛋白通常情況下會發出綠光，但在波長390nm的光線照射下會發出紅光，以此將第二代Xenobots設計成一個擁有讀寫能力的機器人。
具體來看，研究人員在青蛙胚胎細胞內注射了編碼EosFP蛋白的信使RNA，並分離出幹細胞形成第二代Xenobots。成型後的Xenobots會內置一個熒光開關，能記錄波長390nm左右藍光照射的情況。
在實際測試中，研究人員讓10個第二代Xenobots在一個表面上遊動，同時該表面中有一個被波長390nm光束照亮的點。兩小時後，有3個機器人發出紅光，其餘則保持綠色。這表明，這次“旅程記憶”被有效地記錄了下來。
研究人員認為，這種分子記憶原理在未來也許可用於探測和記錄光污染、放射性污染、化學污染、藥物或疾病。同時，研究人員針對Xenobots的記錄系統還給出了不同的優化路徑，例如讓機器人記錄多種刺激（需要添加更多信息位），並在刺激下釋放化合物，或根據不同刺激的感覺改變行為。
“我們賦予機器人更多能力的同時，可以利用計算機模擬設計出更復雜的行為，讓它們執行更復雜的任務。”Bongard談到，他們設計的機器人不僅可以報告所處環境的狀況，還可以修改和修復所處環境的狀況。
四、生物材料癒合代謝能力強，5分鐘自愈嚴重撕裂傷“我們希望能將許多生物材料的特性應用在機器人上，例如用細胞來組成傳感器、馬達、通信和計算網絡，以及信息存儲設備。”Levin説。
在Levin看來，癒合是生物體的自然特徵，傳統的金屬或塑料機器人很難做到。但第二代Xenobots及未來的生物機器人可以隨着細胞的生長和成熟，來構建自己的身體，並在受到損傷時進行自我修復。
據瞭解，第二代Xenobots的癒合能力很強，5分鐘內就可以癒合嚴重的撕裂傷，傷口將近是它們身體厚度的一半。在實際測試中，所有受傷的機器人都能恢復如初，並可以繼續工作。
不僅如此，第二代Xenobots還可以進行新陳代謝。與金屬或塑料機器人不同，第二代Xenobots的細胞可以吸收和分解化學物質，並像小型工廠一樣合成、排出化學物質和蛋白質。
同時，以往主要研究單細胞生物的合成生物學已經能研究這些多細胞生物，或可對它們重新編程以產生有用分子。
與第一代Xenobots類似，第二代Xenobots可以靠胚胎時期的能量儲備存活10天，並在沒有額外能源的情況下執行任務。在持續能量供應的情況下，它們可以全速運行好幾個月。
結語：生物技術與機器人技術互惠，前景可期活體機器人的研發技術不斷迎來突破，而這個領域未來的發展將與生物技術密不可分。
正如Michael Levin在TED演講中提到的，第二代Xenobots在執行任務或醫療方面潛力非凡，而這項研究的價值就在於，用機器人研究來了解單個細胞如何聚集在、交流、創建生物體。這是一種新的模型系統，或許可以基於這個系統進行一些再生醫學方面的研究。
認識到這項技術的前景之後，塔夫茨大學和佛蒙特大學成立了計算機設計生物研究所（ICDO），並將在未來幾個月正式啓動。該研究所將彙集各大學和外部資源，創造更高級、能力更強的生物機器人。
在未來的研究中，第二代Xenobots及更高版本的活體機器人或許可以從生物領域獲得更多啓發。
來源：Tech Xplore