由青蛙细胞生成的首个活体机器人升级:5 分钟恢复“致命伤”,寿命达数月

投稿时间:2021-04-03  消息来源:  提交者:古姿女郎

2020 年 1 月 13 日,科学家们官宣了世界第一个由青蛙干细胞生成的活体机器人。IIc蔷薇网

活体机器人既非传统意义上的机器人,也不是某个已知的动物品种,科学家们对它下的定义是「可编程生物体」。IIc蔷薇网

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这种“生物”神奇的地方在于受破坏后还能自己愈合。IIc蔷薇网

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过去一年里,科学家们对这款全球首个活体机器人进行了一次升级,就在 2021 年 3 月 31 日,相关研究成果正式发表于知名学术期刊 Science 子刊 Science Robotics,题为 A cellular platform for the development of synthetic living machines(一个用于开发合成生命机器的细胞平台)。IIc蔷薇网

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论文作者来自于美国塔夫茨大学艾伦探索中心、佛蒙特大学计算机科学系、新泽西理工学院生物科学系、哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所。IIc蔷薇网

全球首个活体机器人诞生IIc蔷薇网

迄今为止,很多技术离不开钢铁、混凝土、化学品、塑料等材料,随着时间的推移可能对生态环境和健康产生副作用。IIc蔷薇网

佛蒙特大学与塔夫茨大学团队的科学家们认为,利用可自我更新、生物兼容的材料设计机器人,将会是一条不错的思路——理想状态下,甚至可以用生物体做材料。IIc蔷薇网

因此,科学家们决定从头开始设计一种所谓“生物机器”的存在,他们的方法是:利用计算机模拟、自动设计形态,然后将不同的生物组织结合在一起,从而构建最佳设计。IIc蔷薇网

具体而言,他们利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮肤细胞和心脏细胞,创造出了名为 Xenobots 的活体机器人。Xenobots 这个名字中,“Xeno”代表非洲爪蟾的英文名称 Xenopus laevis,“bots”则指机器人。IIc蔷薇网

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Xenobots 虽然宽度不足 1 毫米,但可以向目标移动,能拿起物体(比如需要运送到患者体内特定位置的药物),受破坏可自愈,甚至能在一群生物机器出现时表现出集体行为。IIc蔷薇网

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佛蒙特大学计算机科学与复杂系统中心教授 Josh Bongard 曾介绍:IIc蔷薇网

Xenobots 有自我再生修复机制,而且当它们停止工作、死亡时,通常也不会对外界环境带来破坏,它们是完全可生物降解的。七天后当它们完成工作时,就会变成死皮细胞。IIc蔷薇网

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Xenobots 的创造过程有两步IIc蔷薇网

第一步,利用佛蒙特大学的 Deep Green 超级计算机,研究团队用了几个月时间通过进化算法为这一新的生命形式做出了上千个设计。IIc蔷薇网

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为完成任务(比如朝某个方向移动),计算机会一遍遍地将几百个模拟细胞重新组合成无数的形式或形状。程序受生物物理学基本规则驱动运行,不断对较为成功的模拟生物进行保存、优化,对失败的进行抛弃。100 次独立运行之后,科学家终于选出了最满意的设计。IIc蔷薇网

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第二步,塔夫茨大学团队将电脑设计变成现实。IIc蔷薇网

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他们先从非洲爪蟾胚胎中收集干细胞,将其分离成单个细胞并孵育,然后用小镊子和小电极将细胞切割、连接等工作,使其非常接近于计算机指定的设计。于是,这些细胞就被组装成了自然界中从未见过的形体。IIc蔷薇网

值得一提的是,在科学家们的操纵下,非洲爪蟾的皮肤细胞形成了一个更加被动的结构,而原本无序收缩的心肌细胞则在电脑设计的指导下、在自组织模式的帮助下,产生有序的向前运动——这正是机器人自行移动的关键。IIc蔷薇网

在当时的论文中,研究团队也表示:IIc蔷薇网

通过这种方法,科学家们能够设计出各种各样的生命机器,从而安全地将药物输送到人体、帮助实现对环境的修复,或是进一步拓宽我们对生命可能的多种形式和功能的理解。IIc蔷薇网

活体机器人迎来大升级

不过,科学家们并不满足于仅仅实现上述研究成果,一年时间过去,第二代 Xenobots(下称 Xenobots 2.0)也诞生了。IIc蔷薇网

在最新的论文中,科学家们写道:IIc蔷薇网

虽然此前通过在形状精确的支架上生长肌肉细胞,创造出了可运动生物构造,但将尚不成熟的自组织和功能可塑性运用到自我导向的生命机器,仍是一项重大挑战。IIc蔷薇网

基于此,科学家们的最新突破主要在于,不需肌肉细胞移动,创造出了从单个细胞自我组装身体的生命形式。Xenobots 2.0 有了记忆能力,移动速度更快,可在不同环境中运行,寿命也比 Xenobots 更长(无额外能源下运行,可存活10天;额外能源加持下可全速运行数月),仍然可以展现集体行为,并在受损时自我修复。IIc蔷薇网

Xenobots 2.0 的创造过程大致如下。IIc蔷薇网

塔夫茨大学生物学家从非洲爪蟾胚胎中收集干细胞:IIc蔷薇网

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让它们自我组装并长成球状体:IIc蔷薇网

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几天后一些细胞经分化产生纤毛(即以特定方式来回移动或旋转的细小毛发状突起):
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值得关注的是,Xenobots 的移动基于细胞有节奏的收缩,而 Xenobots 2.0 的移动则基于纤毛。IIc蔷薇网

为实现记忆功能,塔夫茨大学团队通过一种名为 EosFP 的荧光报告蛋白来记录信息。IIc蔷薇网

EosFP 通常会发出绿光,但当暴露在 390nm 波长的光下时会发出红光,通过这一原理,Xenobots 2.0 拥有了读写能力。IIc蔷薇网

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自愈能力方面,Xenobots 2.0 可在 5 分钟内恢复严重的撕裂,即便撕裂长度达到了 Xenobots 2.0 长度的一半。 治愈伤口之后,Xenobots 2.0 将恢复形状,并像往常一样继续工作。IIc蔷薇网

实际上,就在塔夫茨大学的科学家们创造物理有机体时,佛蒙特大学团队则忙着通过 Deep Green 超级计算机在数十万种随机环境条件下进行模拟,其主要目的在于探究在形状、运作方式(独立运作还是集体运作)存在差异时,Xenobots 2.0 是否会表现出不同的行为。IIc蔷薇网

在一项实验中,Xenobots 2.0 可以成群结队地工作,在扫过一个培养皿时可以收集相比 Xenobots 更多的氧化铁微粒。此外 Xenobots 2.0 也可以覆盖更大的表面,或在狭窄的毛细血管中移动。
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研究表明,Xenobots 2.0 在诸如垃圾收集等任务上比 Xenobots 要快得多,也做得更好。IIc蔷薇网

塔夫茨大学科学家 Doug Blackiston 表示:IIc蔷薇网

从生物学的角度来看,这一研究帮助我们理解细胞在发育过程中相互作用时是如何“沟通”的,以及我们如何能更好地控制这些相互作用。IIc蔷薇网

其实,科学家们的最终目标不仅在于探索生物机器,也在于了解基因组的“硬件”与细胞通信的“软件”之间的关系,厘清这些关系,未来人类就能更好地控制再生医学的发展,乃至癌症等疾病的治疗。IIc蔷薇网

引用来源:IIc蔷薇网

https://www.uvm.edu/uvmnews/news/scientists-create-next-generation-living-robotsIIc蔷薇网

https://www.pnas.org/content/117/4/1853IIc蔷薇网

https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571IIc蔷薇网

(公众号:)IIc蔷薇网

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