全球首個用青蛙細胞制造“活體機器人”誕生

孫滔

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

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

這項研究來自美國佛蒙特大學、塔夫茨大學和哈佛大學科學家的合作，論文標題為《用于設計可重構生物體的可擴展性管線研究》，發表在2020年1月14日（北京時間）的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。通訊作者系佛蒙特大學計算機科學系教授喬什·邦加德（Josh Bongard）。邦加德告訴DeepTech，這項研究的主要目的是為了證明計算機設計生物體的概念。

基于進化算法的細胞機器人

這類活體機器人來自佛蒙特大學的超級計算機設計，由塔夫茨大學的生物學家進行非洲爪蟾細胞的組裝和測試。邦加德說，這個機器人基于了進化算法，也就是計算機模擬進化的過程。具體而言就是，計算機首先利用500個～1000個虛擬細胞創建出一組隨機設計的生物體，每種設計都有皮膚細胞和心肌細胞的隨機排列。毫無疑問，這些設計雛形絕大部分沒有動靜，但總會有例外。因為心肌細胞會自發收縮和舒張，這就是細胞運動的引擎，如果這些心肌細胞收縮和舒張行為協調得好，極少數雛形就會產生微弱的運動能力。那么研究人員就將這些攜帶運動能力的雛形進一步復制，其下一代有可能會出現移動速度更快的版本。如此反復復制多代后就會出現能快速移動的機器人版本。

生物細胞機器人可以自愈

四足細胞機器人，直徑為650微米～750微米

圖左為超級計算機的模型，圖右為由非洲爪蟾皮膚細胞（綠色）和心肌細胞（紅色）構建的細胞機器人

研究人員說，進化算法為新的生命形式創建了多代、數千個候選設計，最終篩選出了可定向移動的機器人形態。邦加德的計算機設計是由塔夫茨大學的生物學家在實際操作中實現的，在實際操作中，研究人員利用顯微工具從非洲爪蟾胚胎中刮下皮膚細胞和心肌細胞的早期細胞，將它們分離成單個細胞，然后孵育。即使不經人工操作，這些皮膚細胞和心臟細胞自身就會迅速聚集凝結成無定形團塊。研究人員使用微小的鑷子和電極，手動對聚集的組織進行塑形，在顯微鏡下操作將其連接成計算機設計的近似形態。

奇跡出現了。在組成了新的形態后，這些細胞就開始協同工作。本來是隨機收縮的心肌細胞出現了自組織模式的協調，實現了移動前行。這個機器人被命名為“ xenobots”，意為非洲爪蟾細胞機器人，而非洲爪蟾是南非的一種水生青蛙，是發展生物學的重要模式生物。研究人員得出結論，這種運動來自計算機的設計。邦加德在郵件中向DeepTech 解釋了理由，即在將這個細胞機器人進行翻轉后，它就像烏龜翻轉過來一樣四腳朝天不再運動?！斑@說明向前運動是人工設計的結果，而不是來自偶然?！?/p>

這個研究還有望揭開細胞之間通訊的奧秘。生物體形態和功能的關系一直是重大科學問題，其中細胞通訊很是關鍵。要知道，細胞通訊不限于神經元之間，而是存在于其它細胞之間。這些通訊是通過生物電、生物化學和生物力學來實現的。這個研究對于了解生命程序很有幫助?！缎l報》報道說，研究參與者、塔夫茨大學再生與發育生物學中心主任邁克爾·列文教授認為，如果人類對控制生命的生長和形態有足夠了解的話，那么出生缺陷、癌癥和衰老等難題就有望解決。列文實驗室主要通過實驗和建模來研究細胞通訊和組織形態的關系，以及細胞通訊在胚胎發育過程中的分子機制。

生物細胞機器人的移動軌跡

可降解的藥物遞送

非洲爪蟾的細胞本身并不特殊，但其組成的這個生物體卻表現出了生物活體的行為。這個可編程細胞機器人不僅能維持形態，還能在遭受破壞時自我修復。細胞機器人可在水性環境中存活長達10天，并能移動而無需額外補充營養。一些機器人可直線前行，一些機器人可繞圈。

測試表明，有的細胞機器人可以自發地在中間凹陷形成一個中心孔，那么就可將顆粒物聚集到中心位置。研究人員說，這意味著該機器人有進行藥物遞送的潛力。當機器人停止工作（也就是死亡）時，它們通常會無害地降解。相比金屬和塑料等其它材質的藥物遞送工具，這也是生物細胞機器人用于人體遞送藥物的巨大優勢。當被問及這種藥物遞送方式會不會引發人體免疫反應時，邦加德表示，如果能夠實現用患者自己的細胞制造機器人，這項技術才有望真正用于藥物遞送了。只是這些應用前景尚未得到驗證。他們的研究主要目的是為了證明計算機設計生物體的概念，而并非為了實現藥物遞送的應用。

下一步，他們希望能夠實現用哺乳動物細胞來創建機器人。那么問題就會隨之而來，如果生物細胞機器人產生神經系統和感知系統的話，就要涉及倫理問題了。據《衛報》報道，論文第一作者、佛蒙特大學計算機科學系的博士生山姆·克里格曼表示，這個問題需要公開討論，需要最終找到一個解決方案。不過他說，如果看過這些機器人的畫面，就不會覺得它們會產生對人類的威脅。有倫理學者認為，這些生物細胞機器人只有在產生能感知疼痛等神經組織的時候，才能上綱上線到倫理道德問題。