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它們將數(shù)百個(gè)游離細(xì)胞聚到一起，然后在一個(gè)「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」。

機(jī)器人一定要是金屬、塑料、木頭、混凝土這些材料做的嗎？去年，美國佛蒙特大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的研究者給出了一個(gè)否定的答案。他們依靠進(jìn)化算法，利用青蛙的表皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞造出了全球首批活體機(jī)器人，并將其命名為「Xenobot」。

「Xenobot」不同于傳統(tǒng)機(jī)器人，也不是已知的某種動(dòng)物物種，而是一種新型的、具有生命的、可編程的生物。而且，它們可以自主移動(dòng)，即使被切開也能夠自動(dòng)愈合。

Xenobots 能夠集體行動(dòng)（轉(zhuǎn)圈圈）。

Xenobot 能夠推動(dòng)外部對象。

Xenobot 在被切開后還能夠自動(dòng)修復(fù)。

從一些設(shè)計(jì)中可以看到，這些機(jī)器人具有中空結(jié)構(gòu)，這意味著他們可以攜帶一些物體（如藥物）到指定區(qū)域，在醫(yī)療、生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域有很高的研究價(jià)值和前景。相關(guān)研究發(fā)表在去年的《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

但美中不足的是，初版的 Xenobot 是無法完成自我復(fù)制的。這也為后續(xù)的研究埋下了伏筆。

在新一期《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）中，同一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣布：他們已經(jīng)攻克了這個(gè)難題，造出了有史以來第一批能夠自我復(fù)制的活體機(jī)器人。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和手工組裝的生物體能夠游到他們的小盤子里，找到數(shù)百個(gè)單細(xì)胞并將其聚在一起，然后在一個(gè)「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」Xenobot。

幾天后，這些「下一代」就會變成外觀、動(dòng)作都與父輩一樣的新 Xenobot。這些新的 Xenobot 會繼續(xù)出去尋找細(xì)胞，建立自己的副本，循環(huán)往復(fù)。

Xenobot 是世界上第一批能夠自我修復(fù)和自我復(fù)制的人工智能設(shè)計(jì)的生物機(jī)器人。「有了正確的設(shè)計(jì)，它們就會自發(fā)地進(jìn)行自我復(fù)制，」研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一、佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家和機(jī)器人專家 Joshua Bongard 表示。

這項(xiàng)新的研究成果于 2021 年 11 月 29 日發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118

走進(jìn)未知的世界

能夠自我復(fù)制的 Xenobot 最初是由在佛蒙特大學(xué)的超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 AI 程序「構(gòu)思」出來的。研究者運(yùn)行了一種能夠在模擬中測試數(shù)十億種生物體型的進(jìn)化算法，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)哪種細(xì)胞配置能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制。

最終，AI 發(fā)現(xiàn)了一個(gè)成功的設(shè)計(jì)：一組形狀像 1980 年代街機(jī)游戲吃豆人的細(xì)胞。

該研究的共同作者、塔夫茨大學(xué)高級科學(xué)家 Douglas Blackiston 拿著 AI 給出的設(shè)計(jì)，使用微型電烙鐵和手術(shù)鉗手工雕刻出 Xenobots 母體，它由 3000 個(gè)青蛙細(xì)胞組成，能夠在培養(yǎng)皿中游走。隨后，添加到培養(yǎng)皿中的青蛙細(xì)胞為 Xenobots 母體提供了原材料，它們用這些材料在吃豆人形狀的「嘴巴」中造出 Xenobabies。幾天后，Xenobabies 又成長為新的 Xenobots 母體。通過不斷往培養(yǎng)皿中添加青蛙細(xì)胞原料，這種自我復(fù)制過程可以一代又一代地繼續(xù)下去。

在非洲爪蟾蛙中，這些胚胎細(xì)胞會發(fā)育成皮膚。「它們將在蝌蚪的外面，阻擋病原體并重新分配粘液，」塔夫茨大學(xué)艾倫探索中心的生物學(xué)教授兼主任、新研究的共同負(fù)責(zé)人 Michael Levin 說。「但我們將它們置于一個(gè)新的環(huán)境中，讓它們有機(jī)會重新想象自身的多細(xì)胞性（multicellularity）。」

事實(shí)證明，它們「想象」出來的東西與皮膚大相徑庭。「在過去的很長一段時(shí)間，人類一直認(rèn)為已經(jīng)找到了生命繁殖或復(fù)制的所有方式，但這個(gè)方式是以前從未觀察到的，」Douglas Blackiston 說。

「這些細(xì)胞具有青蛙的基因組，但它們不會變成蝌蚪，而是利用它們的集體智慧和自身的可塑性，實(shí)現(xiàn)了一些令人震驚的事情。」在早期的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們驚訝于 Xenobots 可以按照設(shè)計(jì)去完成簡單的任務(wù)。現(xiàn)在，他們驚訝于這些由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的生物體會自發(fā)地復(fù)制。「我們擁有完整的、未改變的青蛙基因組，」Levin 說，「但我們并沒有從中讀出這些細(xì)胞可以共同完成這項(xiàng)新任務(wù)（將游離的細(xì)胞聚在一起并復(fù)制出下一代）。」

「這些青蛙細(xì)胞的復(fù)制方式與青蛙體內(nèi)細(xì)胞的復(fù)制方式大不相同。科學(xué)上已知的任何動(dòng)物或植物都不會以這種方式復(fù)制，」新研究的主要作者、剛剛獲得博士學(xué)位的 Sam Kriegman 說。

由大約 3000 個(gè)細(xì)胞組成的 Xenobot 母體自身形成了一個(gè)球體。「它們可以繁殖，但之后系統(tǒng)通常會消亡。實(shí)際上，讓系統(tǒng)持續(xù)繁殖是非常困難的，」Kriegman 說。但借助在超級計(jì)算機(jī)集群上運(yùn)行的 AI 程序，進(jìn)化算法能夠在模擬環(huán)境中測試數(shù)十億種體型，比如三角形、正方形、金字塔、海星，用來找到在基于運(yùn)動(dòng)的「運(yùn)動(dòng)學(xué)」復(fù)制中更有效的細(xì)胞。

「我們發(fā)現(xiàn)生物體或生命系統(tǒng)內(nèi)存在一個(gè)此前未知的空間，這是一個(gè)廣闊的空間，」佛蒙特大學(xué)工程與數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院的教授 Bongard 說。「我們?nèi)绾稳ヌ剿髂莻€(gè)空間？我們發(fā)現(xiàn)了會行走的 Xenobots，我們發(fā)現(xiàn)了會游泳的 Xenobots。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)了可以自我復(fù)制的 Xenobots。今后還會有什么？」

或許正如科學(xué)家們在《美國國家科學(xué)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(fā)現(xiàn)。」

圖 1: 自發(fā)的運(yùn)動(dòng)學(xué)的自我復(fù)制。

如上圖所示，復(fù)制過程包括：

• 從早期青蛙囊胚中取出干細(xì)胞，將其解離并置于鹽水溶液中（A），在那里它們凝聚成包含約 3000 個(gè)細(xì)胞的球體。球體在 3 天后在其外表面上形成纖毛。

• 當(dāng)產(chǎn)生的成熟細(xì)胞群被放置在直徑 60 毫米的圓盤（B）中的約 60000 個(gè)分離的干細(xì)胞中時(shí)，它們的集體運(yùn)動(dòng)會將一些細(xì)胞推到一起成堆（C 和 D），如果這個(gè)堆足夠大（至少 50 個(gè)細(xì)胞），即可發(fā)育成能夠游走的纖毛后代（E），如果提供額外的分離干細(xì)胞（F)，即可建立額外的后代。

• 簡而言之，祖先（p）構(gòu)建了后代（o），然后后代亦成為祖先。這個(gè)過程可以通過扣出額外的解離細(xì)胞來中斷。

• 在目前已知的環(huán)境條件下，系統(tǒng)至多自然進(jìn)行兩輪自我復(fù)制。停止 (α) 或復(fù)制 (1 − α) 的概率取決于適合青蛙胚胎的溫度范圍、解離細(xì)胞的濃度、成熟生物的數(shù)量和隨機(jī)行為、溶液的粘度、培養(yǎng)皿的表面，以及污染概率。（比例尺 500μm）。

機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)

與其他已知的生物繁殖形式相比，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的自我復(fù)制使得顯著擴(kuò)大和縮小每一代的后代變得有可能。這表明，生物體或許能夠?qū)W會自動(dòng)設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生不同大小、形狀和有用行為的后代，而不僅僅是數(shù)量意義上的自我復(fù)制。

一部分人會覺得這項(xiàng)研究結(jié)果令人振奮，一部分人可能會對生物自我復(fù)制技術(shù)的概念感到擔(dān)憂甚至恐懼。但對于科學(xué)家團(tuán)隊(duì)來說，下一步的目標(biāo)是更深入的了解。

「我們正在努力了解這個(gè)特性：復(fù)制。世界和技術(shù)正在迅速變化，對于整個(gè)社會來說，研究和了解它是如何運(yùn)作的很重要，」Bongard 說。

一位 Xenobot 的關(guān)注者表示：「這是機(jī)器人學(xué)和生物學(xué)的交叉路口。」

當(dāng)被問及 Xenobot 是否「智能」時(shí)，Blackiston 更愿意將其稱為可編程生物，智能則發(fā)生在設(shè)計(jì)和編程階段，而不是在實(shí)際的 Xenobot 中。「我的觀點(diǎn)是它們并不智能，」Blackiston 說。但他也認(rèn)同，這項(xiàng)工作挑戰(zhàn)了科學(xué)定義。「由于這些技術(shù)，定義正在走向消亡，」Bongard 說。「Xenobots 是 AI 的產(chǎn)物，而 AI 本身正在幫助人類消滅人類原本對智能的標(biāo)準(zhǔn)定義。」

面對如今的眾多全球性挑戰(zhàn)，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的自我復(fù)制可以提供一種部署少量生物技術(shù)的手段，這些生物技術(shù)的設(shè)計(jì)目的是通過 AI 設(shè)計(jì)的復(fù)制器，使得復(fù)制過程實(shí)現(xiàn)最大程度地可控。即使可重構(gòu)生物的表現(xiàn)目前還很初級，人工智能設(shè)計(jì)的方法已被證明能夠在未來引導(dǎo)它們走向更有用的形式。