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 西河 发表于: 2021-12-3 07:23:33|显示全部楼层|阅读模式

[2021年] 前所未有的繁殖方式!AI参与设计首个可自我复制的机器人

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源自:新浪科技综合

  在前2代的基础上,佛蒙特大学、塔夫斯大学和哈佛大学的科学家们创造了首个能以一种全新的方式自我繁殖的活体机器人──第三代Xenobots。(视频
源自:Editing by Ian Thomas Jansen-Lonnquist & Cody Silfies;footage by Douglas Blackiston & Sam Kriegman)

  这应该是迄今我们见过的最奇特的生命系统了,开始只有2种细胞,后来变成了1种。但它变得更强了,能定向移动、具有延展性和可塑性、能修复损伤、有记忆能力,现在它还能繁殖了,且是以一种前所未有的方式。

撰文 | 李诗源、clefable
审校:王昱

  去年1月,美国佛蒙特大学、塔夫斯大学和哈佛大学的4名科学家共同开发首个活体机器人Xenobot。从外面看起来,它只是一个毫米大小的细胞团,但却相当厉害。它能朝特定的方向移动,具有强大的延展性和可塑性,在被切开后,还能自行复原。
  当时,在发表于《美国科学院院刊》的文章中,他们揭示了这个具有“超能力”的细胞团的秘密。Xenobot只由2种细胞构成,分别是由非洲爪蟾的多能干细胞分化而成的皮肤细胞和心肌细胞,前者负责搭建机器人的外形,后者负责提供运动的动力。
  虽然原材料十分简单,但将细胞组合成一个活体机器人并不容易。首先,科学家利用计算机模拟出成百上千种细胞的组合方式,通过演化算法筛选满足要求的细胞组合,最终才利用3D打印制造了一类活体机器人Xenobot。它不需要外界供能,能靠细胞内部的能量存活数天,还能和其他Xenobot进行协作。除此之外,一些Xenobot具有类似于甜甜圈的结构,其中间能携带药物分子。
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  这是一项重大的突破。Xenobot是首个活体机器人,它的出现影响了科学家制造机器人的方式。在Xenobot之前,科学家一直无法成功控制人工生命系统的形状和运动。Xenobot和非洲爪蟾拥有完全一样的DNA,并且不属于动物,而是属于一个全新的生命体系──定制生命系统(bespoke living system)。
  在结构和功能上,它比机械机器人的可塑性更强。但它仍然有很多缺点,比如运动能力较差、没有记忆能力。但仅1年之后,随着第二代Xenobot的出炉,这些都发生了改变。这次,科学家没有去设计Xenobot的外形,而是让非洲爪蟾的多能干细胞自组织形成了一个活体机器人。第二代Xenobot的外层细胞能长出纤毛,使其能在不同的环境中移动,且移动速度更快。
  除此之外,第二代Xenobot能比第一代多活3~7天,且科学家还首次赋予了它记忆能力。他们在Xenobot的细胞植入了一个会发绿光的荧光蛋白。但如果被波长400纳米的光照射,这种荧光蛋白的结构会发生改变,开始发红光。这是一个简单的光控开关,Xenobot被照射后能改变发光的颜色,这也显示它记住了被照射这个信息。当然,这种记忆方式还很简单,也不同于我们通常认为的生物的记忆方式,还需要更深入的优化。
  更让人意外的还在后面,近期这4位科学家又联手制造出第三代的Xenobot,研究论文目前已发表在《美国科学院院刊》上。这次,他们让Xenobot做到了一件无论是生物还是机器人都还没用做到的事情──能利用不同于任何生物的繁殖方式来繁殖后代。他们将这种方式称为自发运动的自我复制(spontaneous kinematic self-replication),而这也是首次发现在多细胞生命系统中,存在这种繁殖方式。
  
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  自我复制、自我繁殖
  生物的繁殖方式可分为无性生殖和有性生殖。但无论是细菌分裂,还是动物通过精子和卵子结合的方式,都有一个共同的特征,就是需要依赖内部环境。简单地说,也就是内部积累了足够的资源后再分裂。例如,1个细菌需要积累完资源才能分裂成2个,而精子和卵子的形成、成熟,以及受精卵的发育也是如此。
  相比之下,病毒的繁殖方式比较特殊,它并不依赖自身,而是通过控制外部环境的资源为自己所用──也就是通过入侵细胞后控制和夺取资源。这种繁殖方式十分类似于科学家对未来的机器人复制方式的畅想。早在70多年前,一些科幻作品就畅想了一种机器能依靠大规模工业生产和自动化技术,来实现自我复制。而这次,最新的Xenobot初步实现了这个畅想,能利用环境中的资源,制造出和自己具有相同功能的子代。
  在今年早期,研究人员就发现,胚胎期非洲爪蟾的干细胞在盐水中分散后,它们能重新接触、聚集,外层的细胞还能分化和形成纤毛,形成的活体机器人Xenobot是球形的,大约包含3000个细胞,它能运动起来。
  在新的研究中,他们发现在一个培养皿中,如果在多个Xenobot周围放上松散的多能干细胞。当多个Xenobot一起运动时,会使得周围的干细胞聚集起来。这些聚集的干细胞会黏附在一起,当数量细胞数量达到50个时,它们就能算是一个子代了。5天之后,这个子代能长出纤毛,能游泳且具有自我复制的能力。
  
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  在5次独立的实验中,这些自组装的Xenobot有4次能繁殖出一代,在剩下的一次中繁殖出了2代,但第二代的数量和个体大小会小于第一代,有一些甚至由于太小无法称之为子代。
  第三代
  但是,常规球形结构的Xenobot持续繁殖的能力较差,平均只能复制1.2代,最多也只能复制2代左右。在前两代Xenobot的研究中,研究团队发现在计算机中进行模拟时,这种有机体的形状会影响它们的运动能力和聚集行为。因此,这一次研究团队想要尝试改变Xenobot的形状,以增强Xenobot的持续自我复制能力。在这项复杂的工作中,AI站了出来,帮了科学家大忙。
  
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  他们利用佛蒙特大学先进计算中心中的Deep Green超算集群,使用演化算法,对数十亿种不同的形状进行模拟,这些形状包括三角形、正方形、金字塔形、海星形和人脑可能难以设计出的形状。他们希望从中找出最适宜的形状,使得Xenobot能够更有效地基于运动学模式来进行复制。
  这个模拟程序首先会随机生成多种不同的形状,并分别模拟这些形状的Xenobot在培养基中的行为。如果某种形状的Xenobot能够聚集足够多的细胞并产生“后代”,那么程序就会将这些“后代”挑选出来,换到新的模拟培养基上,重复这个过程。
  当自我复制的过程停止时,程序还会给相应的Xenobot形状打分,以反映成功复制的代数。随后,程序会用高分的形状替换低分的形状,继续模拟。最终,程序会筛选出一批表现最优秀的形状。研究人员根据模拟结果,在培养基中培养并观察这些筛选出来的Xenobot。
  令他们惊讶的是,在被程序挑选出来且能通过人为干预获得的形状中,表现最好的是一种形似“吃豆人”的Xenobot。这种“吃豆人”形的Xenobot平均能延续3代,比球形Xenobot多了1.5倍,而且其产生的“后代”直径也比球形Xenobot的后代大50%左右。这种反直觉的设计,让研究人员表示:在表象之下,生命还潜藏着很多神奇的现象,会表现出惊人的行为,还有待人类进一步探索。
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  不必惊慌
  对于这样的发现,可谓是几家欢喜几家忧。有些人甚至对此感到恐惧,担心这种自我复制的生命体未来是否有可能颠覆人类社会。对此,研究人员认为人们可以不必那么紧张。论文的通讯作者、佛蒙特大学的乔什·邦加德(Josh Bongard)教授表示,“这些活的‘机器’只有毫米大小,它仅限于实验室内,可以轻易地被销毁,也会接受有关机构和专家的审查。”
  他们感兴趣的是更深入地理解Xenobot的复制功能。Xenobot保留了非洲爪蟾完整的基因组,但它不具备神经系统,没有任何形态上或遗传上的特性能促使其以这种运动的方式来实现自我复制。所以,Xenobot这样的有机体可以帮助人们理解在各种体系中,这种“自我放大”、自我复制的过程是如何发生的。
  虽然经过2年的迭代,但现在的Xenobot还很原始,但从这项研究中,科学家或许可以得到不少启发。创伤、出生缺陷、癌症、衰老等困扰人类的问题之所以存在,是因为我们无法预测和控制细胞的群体行为。而当科学家更深入地理解像Xenobot这样的可重构有机体后,我们或许就能更精准地控制细胞的行为,让细胞群体按照我们的需求表现出相应的行为,促进再生医学领域的发展。
  另外,人类科学家和AI的合作也吸引人的关注。在未来,人脑和电脑的合作或许会变得越来越常见,科学家或可以借助AI来更高效地进行研究和实现特定的目标,比如指定特定的目标属性,让AI帮助人类设计出符合要求的工具,从而缩短人们解决问题的时间。
  Xenobot的出现,或许也会更新人们对“繁殖”这一概念的理解。一直以来,细胞通过内在的生长来实现分裂,似乎是公认的生命“复制”自己的模式。虽然在亚细胞尺度上,生物大分子可能通过装配的方式来实现复制,但是此前在细胞中并未实现这一点。Xenobot似乎挑战了这种“成见”,告诉我们:对生命的探索,还远未结束。

§ 参考文献
  https://www.pnas.org/content/117/4/1853(第一代Xenobot论文)
  https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf1571(第二代Xenobot论文)
  https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118(第三代Xenobot论文)
  https://mp.weixin.qq.com/s/Arla-KSqbhcz7dMvRwakoA
  https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
  本文转自《环球科学》
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