Xenobots团队建造了第一个可以繁殖的活体机器人

为了坚持，生命必须繁衍。数十亿年来，生物体已经进化出多种复制方式，从萌芽植物到有性动物再到入侵病毒。现在，科学家们发现了一种全新的生物繁殖形式——并将他们的发现应用于创造了有史以来第一个自我复制的活体机器人。

建造第一个活体机器人(“Xenobots”，由青蛙细胞组装——于2020年报道)的团队发现，这些计算机设计和手工组装的生物可以游到它们的小盘子里，找到单个细胞，收集数百个将它们放在一起，并在它们的吃豆人形状的“嘴”中组装“婴儿”异种机器人——几天后，它们就会变成外观和动作都和自己一样的新异种机器人。

然后这些新的Xenobots可以出去，寻找细胞，并建立自己的副本。一次又一次。

“有了正确的设计——它们会自发地进行自我复制，”佛蒙特大学计算机科学家和机器人专家乔舒亚·邦加德(JoshuaBongard)说，他是这项新研究的共同领导者。

新研究的结果于2021年11月29日发表在《国家科学院院刊》上。

在非洲爪蟾青蛙中，这些胚胎细胞会发育成皮肤。“它们会坐在蝌蚪的外面，阻挡病原体并重新分配粘液，”塔夫茨大学艾伦探索中心的生物学教授兼主任、这项新研究的共同负责人迈克尔莱文说。“但我们将它们置于一个新的环境中。我们让它们有机会重新想象它们的多细胞性。”

他们想象的东西与皮肤大不相同。“很长一段时间以来，人们一直认为我们已经找到了生命可以繁殖或复制的所有方式。但这是以前从未观察到的，”共同作者、塔夫斯大学高级科学家道格拉斯布莱克斯顿说。组装了异种机器人“父母”并开发了新研究的生物学部分。

“这是深刻的，”莱文说。“这些细胞具有青蛙的基因组，但它们不会变成蝌蚪，而是利用集体智慧，一种可塑性，去做一些令人震惊的事情。”在早期的实验中，科学家们惊讶于Xenobots可以设计成完成简单的任务。现在他们惊讶于这些生物对象——一个计算机设计的细胞集合——会自发地复制。“我们拥有完整的、未改变的青蛙基因组，”莱文说，“但它没有暗示这些细胞可以共同完成这项新任务，”收集分离的细胞，然后将其压缩成工作的自我复制品。

“这些青蛙细胞的复制方式与青蛙的复制方式大不相同。科学上已知的任何动物或植物都不会以这种方式复制，”这项新研究的主要作者、完成博士学位的SamKriegman说。.在UVM的Bongard实验室工作，现在是塔夫特艾伦中心和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的博士后研究员。

由大约3,000个细胞组成的Xenobot亲本自身形成了一个球体。“这些可以生孩子，但之后系统通常会消亡。实际上，让系统继续繁殖非常困难，”克里格曼说。但是，通过在UVM的佛蒙特州高级计算核心的DeepGreen超级计算机集群上运行的人工智能程序，进化算法能够在模拟中测试数十亿种体型——三角形、正方形、金字塔、海星——以找到允许细胞在新研究中报告的基于运动的“运动学”复制中更有效。

“我们让UVM的超级计算机弄清楚如何调整最初父母的形状，经过几个月的努力，人工智能想出了一些奇怪的设计，包括一个类似于吃豆人的设计，”克里格曼说。“这是非常不直观的。它看起来很简单，但它不是人类工程师会想出的。为什么只有一张小嘴?为什么不是五个?我们将结果发送给道格，他建造了这些吃豆人形状的父母异种机器人……然后那些父母生了孩子，生了孙子，生了曾孙，又生了曾曾孙。”换句话说，正确的设计极大地延长了世代数。

运动复制在分子水平上是众所周知的——但以前从未在整个细胞或生物体的规模上观察到过。

“我们发现生物体或生命系统内存在这个以前未知的空间，这是一个广阔的空间，”UVM工程与数学科学学院的教授Bongard说。“然后我们如何去探索那个空间?我们发现了会走路的异种机器人。我们发现了会游泳的异种机器人。现在，在这项研究中，我们发现了可以运动复制的异种机器人。还有什么?”

或者，正如科学家们在《国家科学院院刊》研究中所写的那样：“生命在表面之下隐藏着令人惊讶的行为，等待被发现。”

应对风险

有些人可能会觉得这很令人振奋。其他人可能会对自我复制生物技术的概念感到担忧，甚至恐惧。对于科学家团队来说，目标是更深入的了解。

“我们正在努力了解这个特性：复制。世界和技术正在迅速变化。对于整个社会来说，我们研究和了解它是如何运作的很重要，”邦加德说。这些毫米大小的活体机器完全包含在实验室中，很容易熄灭，并由联邦、州和机构伦理专家审查，“并不是让我彻夜难眠的原因。带来风险的是下一次大流行;加速污染对生态系统的破坏;来自气候变化的威胁加剧，”UVM的Bongard说。“这是研究自我复制系统的理想系统。我们有道德义务去了解我们可以控制它、引导它、消灭它、夸大它的条件。”

Bongard指出了COVID流行病和疫苗的寻找。“我们产生解决方案的速度非常重要。如果我们能够开发技术，向Xenobots学习，我们可以在那里快速告诉人工智能：‘我们需要一种生物工具，可以做X和Y并抑制Z，’——那可能非常有益。今天，这需要非常长的时间。”该团队的目标是加快人们从发现问题到产生解决方案的速度——“比如部署活体机器将微塑料从水道中拉出或制造新药，”邦加德说。

“我们需要创造与我们面临的挑战保持同步增长的技术解决方案，”Bongard说。

该团队在研究中看到了再生医学进步的希望。“如果我们知道如何告诉细胞集合做我们想让它们做的事情，那最终就是再生医学——这就是外伤、先天缺陷、癌症和衰老的解决方案，”莱文说。“所有这些不同的问题都在这里，因为我们不知道如何预测和控制将要构建的细胞群。Xenobots是一个新的教学平台。”