全球首个可自我繁殖活体机器人问世！青蛙细胞+超级计算机跨界融合

数十亿年来，为了延续生命，生物体已经进化出多种繁衍方式。但您一定想象不到，机器人也能自主产生后代了！

近日，来自美国佛蒙特大学（University of Vermont）和塔夫茨大学（Tufts University）的研究团队发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用其创造了有史以来第一个可进行自我繁殖多代的活体机器人——Xenobots 3.0。它仅有毫米大小，既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种，而是一种从未在地球上出现过的活的、可编程的全新有机体。相关研究已以“Kinematic self-replication in reconfigurable organisms”为题，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上[1]。

Figure 1. Kinematic self-replication in reconfigurable organisms （图片来源：PNAS）

全新的生命形式！世界首个活体机器人于2020年诞生

其实早在2020年1月[2]，这支研究团队就成功利用生物相容性材料，研发创造出了全球首个活体机器人——Xenobots（Figure 2）。之后的研究也都是基于该首代成果所进行的提升和改造。

Figure 2. 于2020年问世的全球首个活体机器人Xenobots （图片来源：PNAS）

虽被称为“机器”，Xenobots却并不包含任何机械组件——这一被精心设计出来的全新生命形式主要是由两种细胞组成，分别是非洲爪蟾（Xenopus lavis）早期胚胎干细胞所分化出的表皮细胞和心肌细胞（Figure 3）。

其中，表皮细胞（被动细胞）起到结构支撑的作用，心肌细胞（收缩细胞）则负责为细胞团的运动提供动力。通过心脏细胞产生的收缩，Xenobots得以在水性介质中发生移动——走直线、转圈圈，全都不在话下。

Figure 3. 表皮细胞（绿色部分）及心肌细胞（红色部分）的结合（图片来源：PNAS）

在计算机模拟的指导和修改下，上述两种细胞被搭建出不同的组合构型，并按照研究人员的期望自由移动或搬运物体，甚至即使被切开也能够自动愈合。

不过，作为该系列的元老级机器人，Xenobots也存在着明显的瑕疵——无法自我复制。在自身所携带的能量消耗殆尽前，仅可独立移动约一周时间，之后便会分解“死亡”。

可实现自我复制的新一代活体机器人问世

显然，太容易“死亡”是一个非常大的bug——这可让科学家们愁坏了。但Xenobots归根结底只是个“机器人”罢了，其并不具备自我意识，要想让它们如同动植物一般进行繁殖，那实在是太强“人”所难了。

不过在实验中，研究人员突然发现：如果将足够多的Xenobots放置在培养皿中彼此靠近，它们竟会发生聚集现象，并能将其它漂浮在溶液中的单个干细胞堆叠起来。

Figure 4. 可实现自我复制的新一代Xenobots （图片来源：PNAS）

基于这一特性，研究团队将大约3000个细胞构成的球形Xenobots细胞团移入装有大量非洲爪蟾干细胞的培养皿中。随后，细胞团表面像头发一样的纤毛竟如同“腿”一般自行推动着它们按照所预设的方向快速螺旋游动起来，并且，在前行过程中，这些细胞团会推动分布于四周的干细胞，将它们聚拢并堆积在一起。5天时间之内，这些堆积物就形成了一种和“母体”Xenobots的外观和动作如出一辙的“副本”Xenobots！随后，副本们模仿着母体们的步骤——寻找单个细胞、聚集、堆积……就这样，周而复始，不断复制。

不过，这个过程的持续时间并不会很久，无法形成系统性的繁殖。研究参与者Sam Kriegman博士所说：“虽然这些机器人终于可以‘生孩子’了，但这个复制系统很快就会消亡。要让系统继续复制非常困难。”研究人员发现，母体们最多只能繁衍三代（即2轮自我复制），而所形成的副本若只有不到50个细胞时，就会失去移动和复制的能力。

人工智能介入，复制过程延长

在这一关键时刻，人工智能“挺身而出”，给这项研究带来了极大的助力。

为了找到一种能让Xenobots更高效地进行运动学复制的结构，科学家们利用了佛蒙特大学的超级计算机集群Deep Green的人工智能程序进行“构思”。在弄清楚了如何调整最初母本的形状后，研究人员努力了几个月的时间，通过“编程”模拟测试了数十亿种奇怪的生物体型（Figure 5）——包括三角形、正方形、海星形等等。最终，一种酷似上世纪某款街机游戏“吃豆人”一样的C形状脱颖而出（Figure 6）。“这种设计相当违反直觉。它看起来很简单，但人类工程师可想不出来。”Sam Kriegman说。

Figure 5. 希望成为新一代Xenobots的一部分“参赛者”们 （图片来源：PNAS）

Figure 6. 夺得最终胜利的“吃豆人”Xenobots （图片来源：PNAS）

随后的测试也证实了这种开了口的球体形状的复制能力——在培养皿中，新一代的Xenobot能够找到微小的干细胞，聚集并完成复制。“这些父母创造孩子，孩子创造孙子，孙子创造重孙……正确的设计，极大地延长了后代的数量。”经统计，“吃豆人”最终共实现了4轮自我复制，比先前多了一倍！

Figure 7. “吃豆人”的子子孙孙们 （图片来源：PNAS）

由此可见，Xenobots的潜力是无穷大的。

在研究团队看来，这些其貌不扬的活体机器人或许可以有助于医学的全新突破——除了有望用于精准的药物递送之外，Xenobots的自我复制能力也使得再生医学有了新的帮手，这无益为对抗创伤、出生缺陷、癌症与衰老提供了开创性的解决思路。

References:

[1]PNAS: Kinematic self-replication in reconfigurable organisms

https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118

[2]PNAS: A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms

https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117