全球首個(gè)用青蛙細(xì)胞制造“活體機(jī)器人”誕生

孫滔

這是一種由生物細(xì)胞組成的可編程機(jī)器人，可自主移動(dòng)。它不是新物種，不同于現(xiàn)有的器官或生物體，卻是活的生物體。科學(xué)家將非洲爪蟾的皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞組裝成了全新的生命體，這些毫米級(jí)的異種機(jī)器人可以定向移動(dòng)，還可以在遇到同類的時(shí)候“搭伙”合并。

它們還可以被定制成各種造型，如四足機(jī)器人，如帶有“口袋”的機(jī)器人。未來(lái)可期的是，帶有“口袋”的機(jī)器人可以在人體內(nèi)遞送藥物。這些機(jī)器人還可以用來(lái)尋找危險(xiǎn)的化合物或放射性污染物;在人體動(dòng)脈中移動(dòng)刮除斑塊，拆除這些引發(fā)心腦血管病的“定時(shí)炸彈”。

這項(xiàng)研究來(lái)自美國(guó)佛蒙特大學(xué)、塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)科學(xué)家的合作，論文標(biāo)題為《用于設(shè)計(jì)可重構(gòu)生物體的可擴(kuò)展性管線研究》，發(fā)表在2020年1月14日（北京時(shí)間）的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。通訊作者系佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授喬什·邦加德（Josh Bongard）。邦加德告訴DeepTech，這項(xiàng)研究的主要目的是為了證明計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)生物體的概念。

基于進(jìn)化算法的細(xì)胞機(jī)器人

這類活體機(jī)器人來(lái)自佛蒙特大學(xué)的超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家進(jìn)行非洲爪蟾細(xì)胞的組裝和測(cè)試。邦加德說(shuō)，這個(gè)機(jī)器人基于了進(jìn)化算法，也就是計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)化的過(guò)程。具體而言就是，計(jì)算機(jī)首先利用500個(gè)～1000個(gè)虛擬細(xì)胞創(chuàng)建出一組隨機(jī)設(shè)計(jì)的生物體，每種設(shè)計(jì)都有皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞的隨機(jī)排列。毫無(wú)疑問(wèn)，這些設(shè)計(jì)雛形絕大部分沒(méi)有動(dòng)靜，但總會(huì)有例外。因?yàn)樾募〖?xì)胞會(huì)自發(fā)收縮和舒張，這就是細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的引擎，如果這些心肌細(xì)胞收縮和舒張行為協(xié)調(diào)得好，極少數(shù)雛形就會(huì)產(chǎn)生微弱的運(yùn)動(dòng)能力。那么研究人員就將這些攜帶運(yùn)動(dòng)能力的雛形進(jìn)一步復(fù)制，其下一代有可能會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)速度更快的版本。如此反復(fù)復(fù)制多代后就會(huì)出現(xiàn)能快速移動(dòng)的機(jī)器人版本。

生物細(xì)胞機(jī)器人可以自愈

四足細(xì)胞機(jī)器人，直徑為650微米～750微米

圖左為超級(jí)計(jì)算機(jī)的模型，圖右為由非洲爪蟾皮膚細(xì)胞（綠色）和心肌細(xì)胞（紅色）構(gòu)建的細(xì)胞機(jī)器人

研究人員說(shuō)，進(jìn)化算法為新的生命形式創(chuàng)建了多代、數(shù)千個(gè)候選設(shè)計(jì)，最終篩選出了可定向移動(dòng)的機(jī)器人形態(tài)。邦加德的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)是由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際操作中，研究人員利用顯微工具從非洲爪蟾胚胎中刮下皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞的早期細(xì)胞，將它們分離成單個(gè)細(xì)胞，然后孵育。即使不經(jīng)人工操作，這些皮膚細(xì)胞和心臟細(xì)胞自身就會(huì)迅速聚集凝結(jié)成無(wú)定形團(tuán)塊。研究人員使用微小的鑷子和電極，手動(dòng)對(duì)聚集的組織進(jìn)行塑形，在顯微鏡下操作將其連接成計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的近似形態(tài)。

奇跡出現(xiàn)了。在組成了新的形態(tài)后，這些細(xì)胞就開始協(xié)同工作。本來(lái)是隨機(jī)收縮的心肌細(xì)胞出現(xiàn)了自組織模式的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)前行。這個(gè)機(jī)器人被命名為“ xenobots”，意為非洲爪蟾細(xì)胞機(jī)器人，而非洲爪蟾是南非的一種水生青蛙，是發(fā)展生物學(xué)的重要模式生物。研究人員得出結(jié)論，這種運(yùn)動(dòng)來(lái)自計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。邦加德在郵件中向DeepTech 解釋了理由，即在將這個(gè)細(xì)胞機(jī)器人進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后，它就像烏龜翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)一樣四腳朝天不再運(yùn)動(dòng)。“這說(shuō)明向前運(yùn)動(dòng)是人工設(shè)計(jì)的結(jié)果，而不是來(lái)自偶然。”

這個(gè)研究還有望揭開細(xì)胞之間通訊的奧秘。生物體形態(tài)和功能的關(guān)系一直是重大科學(xué)問(wèn)題，其中細(xì)胞通訊很是關(guān)鍵。要知道，細(xì)胞通訊不限于神經(jīng)元之間，而是存在于其它細(xì)胞之間。這些通訊是通過(guò)生物電、生物化學(xué)和生物力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)研究對(duì)于了解生命程序很有幫助。《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道說(shuō)，研究參與者、塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任邁克爾·列文教授認(rèn)為，如果人類對(duì)控制生命的生長(zhǎng)和形態(tài)有足夠了解的話，那么出生缺陷、癌癥和衰老等難題就有望解決。列文實(shí)驗(yàn)室主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和建模來(lái)研究細(xì)胞通訊和組織形態(tài)的關(guān)系，以及細(xì)胞通訊在胚胎發(fā)育過(guò)程中的分子機(jī)制。

生物細(xì)胞機(jī)器人的移動(dòng)軌跡

可降解的藥物遞送

非洲爪蟾的細(xì)胞本身并不特殊，但其組成的這個(gè)生物體卻表現(xiàn)出了生物活體的行為。這個(gè)可編程細(xì)胞機(jī)器人不僅能維持形態(tài)，還能在遭受破壞時(shí)自我修復(fù)。細(xì)胞機(jī)器人可在水性環(huán)境中存活長(zhǎng)達(dá)10天，并能移動(dòng)而無(wú)需額外補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)。一些機(jī)器人可直線前行，一些機(jī)器人可繞圈。

測(cè)試表明，有的細(xì)胞機(jī)器人可以自發(fā)地在中間凹陷形成一個(gè)中心孔，那么就可將顆粒物聚集到中心位置。研究人員說(shuō)，這意味著該機(jī)器人有進(jìn)行藥物遞送的潛力。當(dāng)機(jī)器人停止工作（也就是死亡）時(shí)，它們通常會(huì)無(wú)害地降解。相比金屬和塑料等其它材質(zhì)的藥物遞送工具，這也是生物細(xì)胞機(jī)器人用于人體遞送藥物的巨大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)被問(wèn)及這種藥物遞送方式會(huì)不會(huì)引發(fā)人體免疫反應(yīng)時(shí)，邦加德表示，如果能夠?qū)崿F(xiàn)用患者自己的細(xì)胞制造機(jī)器人，這項(xiàng)技術(shù)才有望真正用于藥物遞送了。只是這些應(yīng)用前景尚未得到驗(yàn)證。他們的研究主要目的是為了證明計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)生物體的概念，而并非為了實(shí)現(xiàn)藥物遞送的應(yīng)用。

下一步，他們希望能夠?qū)崿F(xiàn)用哺乳動(dòng)物細(xì)胞來(lái)創(chuàng)建機(jī)器人。那么問(wèn)題就會(huì)隨之而來(lái)，如果生物細(xì)胞機(jī)器人產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)和感知系統(tǒng)的話，就要涉及倫理問(wèn)題了。據(jù)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道，論文第一作者、佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的博士生山姆·克里格曼表示，這個(gè)問(wèn)題需要公開討論，需要最終找到一個(gè)解決方案。不過(guò)他說(shuō)，如果看過(guò)這些機(jī)器人的畫面，就不會(huì)覺(jué)得它們會(huì)產(chǎn)生對(duì)人類的威脅。有倫理學(xué)者認(rèn)為，這些生物細(xì)胞機(jī)器人只有在產(chǎn)生能感知疼痛等神經(jīng)組織的時(shí)候，才能上綱上線到倫理道德問(wèn)題。