
之前,科学家们已经开发出了由合成材料制成的群体机器人,并通过在形状精确的支架上生长的肌肉细胞进行移动。但是直到现在,创造一个自主的生命机器仍然遥不可及。2021年3月31日,塔夫茨大学艾伦探索中心主任
Michael Levin
教授团队在 Science 子刊 Science Robotics 期刊发表了题为:
A cellular platform for the development of synthetic living machines
的研究论文。在这项研究中,研究团队利用非洲爪蟾(Xenopus laevis)的细胞,创造了小型
合成生命机器
(Synthetics Living Machines)
,并将其命名为
Xenobots
。它们可以由单个细胞自组装而来,无需肌肉细胞即可在不同环境中快速移动,推动有效载荷,它们还可以记住自己的经历,在受损时可以自愈,并表现出群体行为。
研究团队从非洲爪蟾胚胎中提取干细胞,使它们自组装并长成球形,几天后其中的一些细胞分化产生纤毛,这些纤毛就像腿一样,可以帮助球形的Xenobots快速移动。
该研究的通讯作者、塔夫茨大学艾伦探索中心主任 Michael Levin 教授表示,这项研究让我们目睹了细胞集群的非凡可塑性,尽管它们具有完全正常的基因组,但却能形成了一个几乎新的“物体”,与它们原本来源的非洲爪蟾截然不同。非洲爪蟾
,一种原产于的水生青蛙,是一种重要的模式生物这些细胞可以将其遗传编码的纤毛重新用于新功能的——运动,令人惊奇的是,这些细胞可以自发承担起新的角色并创建新的身体计划和行为,而无需为这些特征进行长时间的进化选择。
当非洲爪蟾细胞将自己组装成Xenobots时,它们可以借助表面上存在的纤毛以协同的方式移动。而且它们可以接受外科手术、遗传、化学和光学刺激。Xenobots可以在水中操纵,在受损伤后能够自愈,并表现出可预测的集体行为。
该研究的第一作者
Douglas Blackiston
博士表示, 某种程度上,这种Xenobots机器人跟传统机器人在构造上是类似的,只不过Xenobots是使用了细胞和组织来构建并创造了可预测行为。这项研究也有助于了解细胞在发育过程中如何相互作用,以及如何更好地控制这些相互作用。该研究的共同第一作者,Douglas Blackiston(左),Emma Lederer(右)接下来,研究团队使用计算机对Xenobots的个体和集体行为进行了模拟,这些模拟发现Xenobots擅长
群体协同工作
。研究团队将Xenobots培养在均匀铺满氧化铁颗粒的培养皿中,Xenobots能够一起扫过培养皿表面,迅速收集
大量氧化铁颗粒,这表明Xenobots可以通过群体行为清理垃圾。

研究团队表示,目前Xenobots虽然只能做一些简单的任务,但是最终的目标是开发出一种有用的新型生命机器,例如用于清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。
可以记录信息
研究团队在创建Xenobots之前,向非洲爪蟾胚胎细胞中注入了编码EosFP蛋白的mRNA,该蛋白会发出绿色荧光,但是当暴露于390nm波长的蓝光时,该蛋白会发出红光。因此,成熟的Xenobots具有内置的荧光开关,可以记录暴露于蓝光的情况。
为了验证这一功能,研究团队将10个Xenobots放置在一个直径5厘米的培养皿表面,培养皿中有一个直径7毫米的区域直射蓝光,2个小时后,有3个Xenobots发出了红光,其余的保持原始绿色,这表明这3个机器人曾运动到了这束蓝光下,有效记录了它们的“旅行经历”。

研究团队表示,可以利用Xenobots的这种分子记忆来检测放射性污染物、化学污染物的存在,或药物、疾病状况等等。
最后,研究团队表示,这种Xenobots机器人,相比于金属和塑料机器人,具有许多优势,比如,它们可以随着细胞的生长和成熟,建立自己的身体计划,还能在受损时进行自我修复。这种自我修复是生物体的自然特征,并且在Xenobots中得以保留。
这些生物机器人中的细胞还可以吸收和分解化学物质,像微型工厂一样工作,合成和排出化学物质和蛋白质。此外,还可以通过计算机模拟为它们设计更复杂的行为,让它们执行更复杂的任务。https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571