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AG环亚网址全球首个活体机器人再升级:5 分钟自愈严重伤口,具备 “记忆”功能

2021-04-08

据外媒 Tech Xplore 报道,AG环亚网址来自美国塔弗茨大学(Tufts University)和佛蒙特大学(University of Vermont,UVM)的研发团队成功开发了第二代微型生物机器人 “Xenobots”,同样基于非洲爪蟾细胞构建。

但与第一代相比,第二代 Xenobots 不仅能实现单细胞的自主组合,它的移速还更快,信息读写功能和自愈能力也大大增强

目前,这一最新研究成果已于美国时间 3 月 31 日发表在《科学 · 机器人学(Science Robotics)》期刊上,论文题目为《一个用于开发合成生命机器的细胞平台(A cellular platform for the development of synthetic living machines)》。

论文链接:https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571

早在去年 1 月,该团队发布的全球首个活体机器人 Xenobots 就已登上顶级期刊《美国科学院院报(PNAS)》封面,该研究提出并实现了用计算机设计生物体的概念,用生物材料代替金属、塑料等人工材料来构建机器人。

一、通过青蛙胚胎干细胞分化构建生物体

从细胞构建上看,第一代 Xenobots 采用了 “自上而下”的构造方式,通过手工重组青蛙皮肤和心脏细胞,使心脏细胞在底层收缩来实现机器人的移动。

相比之下,第二代 Xenobots 则采用 “自下而上”的方法进行构造,由单个的细胞自主形成生物体。塔夫茨大学生物学家用非洲的一种青蛙——非洲爪蟾(Xenopus laevis,这也是 Xenobots 名字的由来)的胚胎干细胞进行生长和增殖,几天后一些干细胞就分化形成了纤毛。这些能移动、旋转的纤毛充当了第二代 Xenobots 的 “腿”,使它无需肌肉细胞就能快速移动。

由于构造升级,第二代 Xenobots 的移速更快,寿命更长,也能更好地适应各种环境。

“我们见证了细胞组织非凡的可塑性——它们违背常识,构建了一个新的青蛙‘身体’,并且这只青蛙的基因组完全正常。” 塔夫茨大学著名生物学教授 Michael Levin 说。“在正常的青蛙胚胎中,细胞增殖分化形成蝌蚪。而现在我们看到细胞可以重新分化,形成纤毛来实现运动功能。令人惊讶的是,细胞可以自发承担新的角色,创造新的身体和行为,而不需要长时间的进化选择。”

“在某种程度上,第二代 Xenobots 与传统机器人的构造很相似,我们只是用细胞和组织来代替人造组件,以构建形状和创造可预测的行为。”资深科学家 Doug Blackiston 说。“在生物学上,这种方法更好地解释了细胞在发育过程中如何相互作用,以及我们如何更好地控制这些作用。”

二、新型的 Xenobots 或可用于收集微粒

这个团队由计算机科学家和机器人专家 Josh Bongard 领导,通过先进计算核的 Deep Green 超级计算机集群,在数十万随机环境条件下运行进化算法,以测试不同形状、单独或群体的 Xenobots 是否会表现出不同的行为,并分辨哪些 Xenobots 群体最适合在粒子场中共同工作,收集大量碎片。

结果表明,与第一代 Xenobots 相比,第二代 Xenobots 在完成垃圾收集等任务的表现更好。一方面,第二代 Xenobots 能成群结队地扫过培养皿,收集大堆的氧化铁微粒;另一方面,它们既可以在大型平面上工作,也可以穿过狭窄的毛细血管。

不仅如此,他们的研究表明,未来硅模拟可以优化生物机器人的附加功能,以生成更复杂的行为。

“尽管目前第二代 Xenobots 的任务都很简单,但我们的最终目标是开发一种新型的生活工具,让它们做更多实际有用的工作,例如清理海洋中的微塑料或土壤污染物。”Bongard 说。

三、通过荧光报告蛋白构建读写功能

机器人技术最大的特征之一是能够记录信息,并根据这些信息控制机器人的行为。

在这一方面,研究团队通过一种名为 EosFP 的荧光报告蛋白来记录信息,这种蛋白通常情况下会发出绿光,但在波长 390nm 的光线照射下会发出红光,以此将第二代 Xenobots 设计成一个拥有读写能力的机器人。

具体来看,研究人员在青蛙胚胎细胞内注射了编码 EosFP 蛋白的信使 RNA,并分离出干细胞形成第二代 Xenobots。成型后的 Xenobots 会内置一个荧光开关,能记录波长 390nm 左右蓝光照射的情况。

在实际测试中,研究人员让 10 个第二代 Xenobots 在一个表面上游动,同时该表面中有一个被波长 390nm 光束照亮的点。两小时后,有 3 个机器人发出红光,其余则保持绿色。这表明,这次 “旅程记忆”被有效地记录了下来。

研究人员认为,这种分子记忆原理在未来也许可用于探测和记录光污染、放射性污染、化学污染、药物或疾病。同时,研究人员针对 Xenobots 的记录系统还给出了不同的优化路径,例如让机器人记录多种刺激(需要添加更多信息位),并在刺激下释放化合物,或根据不同刺激的感觉改变行为。

“我们赋予机器人更多能力的同时,可以利用计算机模拟设计出更复杂的行为,让它们执行更复杂的任务。”Bongard 谈到,他们设计的机器人不仅可以报告所处环境的状况,还可以修改和修复所处环境的状况。

四、生物材料愈合代谢能力强,5 分钟自愈严重撕裂伤

“我们希望能将许多生物材料的特性应用在机器人上,例如用细胞来组成传感器、马达、通信和计算网络,以及信息存储设备。”Levin 说。

在 Levin 看来,愈合是生物体的自然特征,传统的金属或塑料机器人很难做到。但第二代 Xenobots 及未来的生物机器人可以随着细胞的生长和成熟,来构建自己的身体,并在受到损伤时进行自我修复。

据了解,第二代 Xenobots 的愈合能力很强,5 分钟内就可以愈合严重的撕裂伤,伤口将近是它们身体厚度的一半。在实际测试中,所有受伤的机器人都能恢复如初,并可以继续工作。

不仅如此,第二代 Xenobots 还可以进行新陈代谢。与金属或塑料机器人不同,第二代 Xenobots 的细胞可以吸收和分解化学物质,并像小型工厂一样合成、排出化学物质和蛋白质。

同时,以往主要研究单细胞生物的合成生物学已经能研究这些多细胞生物,或可对它们重新编程以产生有用分子。

与第一代 Xenobots 类似,第二代 Xenobots 可以靠胚胎时期的能量储备存活 10 天,并在没有额外能源的情况下执行任务。在持续能量供应的情况下,它们可以全速运行好几个月。

结语:生物技术与机器人技术互惠,前景可期

活体机器人的研发技术不断迎来突破,而这个领域未来的发展将与生物技术密不可分。

正如 Michael Levin 在 TED 演讲中提到的,第二代 Xenobots 在执行任务或医疗方面潜力非凡,而这项研究的价值就在于,用机器人研究来了解单个细胞如何聚集在、交流、创建生物体。这是一种新的模型系统,或许可以基于这个系统进行一些再生医学方面的研究。

认识到这项技术的前景之后,塔夫茨大学和佛蒙特大学成立了计算机设计生物研究所(ICDO),并将在未来几个月正式启动。该研究所将汇集各大学和外部资源,创造更高级、能力更强的生物机器人。

在未来的研究中,第二代 Xenobots 及更高版本的活体机器人或许可以从生物领域获得更多启发。

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