重组细胞机器人_科幻变为现实!美国科学家发明完全由细胞构成的活体机器人

当你听说人类已经掌握了组装生物体的“机器人”时,你是惊慌失措、惊讶还是感叹科学技术的进步?在

重组细胞机器人

的左侧是在UVM超级计算机上设计的生物体的解剖蓝图右边是完全由青蛙皮肤(绿色)和心肌(红色)细胞构成的有机体

。现在这项技术已经真正成为现实。不管你如何看待这个问题,科学家给出的解释是:书是由木头制成的,但它们不再是树。同样,我们重组死亡细胞并将其用于其他目的。现实生活中的“机器”

一个科学家小组重复利用了从青蛙胚胎中提取的活细胞,并将它们组装成一种全新的生命形式这些毫米大小的“异类机器人”可以向目标移动,也可以举起一定的重量(例如,需要运送到患者体内特定位置的药物),并且可以在被切割后自我愈合。佛蒙特大学的计算机科学家和机器人专家约书亚·邦加德(Joshua Bongard)说:“这些都是活的”机器人。"“它们既不是传统机器人,也不是已知的动物物种它是一种新型的人造产品:一种活的可编程生物这些新生物是在佛蒙特大学的超级计算机上设计的,然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试塔夫茨再生和发育生物学中心主任迈克尔·莱文(Michael Levin)说:“我们可以想象,这些活体机器人在许多领域不能被其他机器使用,就像寻找有毒化合物或放射性污染物,在海洋中收集微塑料,甚至疏通动脉中的血栓。”新研究的结果

发表在1月13日的《国家科学院院刊》上

研究小组在最新研究中写道,对实验的描述不甚明了,但这是历史上第一次“从头开始设计一台完全生物机器”。

在佛蒙特大学佛蒙特高级计算核心的深绿色超级计算机集群上处理数月后,团队成员(包括主要作者和博士生萨姆·克里格曼)使用进化算法为新生命形式创建了数以千计的候选设计。

每个设计都试图完成科学家分配的任务(例如,向一个方向移动),计算机会一次又一次地将数百个模拟细胞重组成无数的形式和形状。当程序运行时,在青蛙皮肤和心脏细胞的基本生物物理规则的驱动下,成功的模型被保存和改进,而失败的设计被丢弃。独立运行算法100次后,选择最佳设计进行测试。

重组细胞机器人

然后,在塔夫茨大学团队迈克尔·莱文的领导和显微外科医生道格拉斯·布莱克斯顿的合作下,计算机设计成为现实

首先,他们收集从非洲爪蟾胚胎(因此得名非洲爪蟾)中收获的干细胞它们被分成单个细胞,然后进行培养然后,使用小镊子和均匀的电极,细胞被切割并在显微镜下连接,以接近计算机指定的设计。

这些细胞组装成自然界中不存在的身体形状,并开始一起工作。皮肤细胞形成了一个更加被动的结构,而随机收缩的心肌细胞已经开始发挥作用。在计算机设计的指导下,借助自发的自组织模式,有序的向前运动成为可能,从而使机器人能够继续向前运动。

这些可重构生物可以以一致的方式移动,并且可以在几天或几周内探索它们的水环境,并且依赖胚胎能量储存。然而,翻筋斗失败了,就像甲虫或乌龟翻了个身,再也回不去了。随后在

的测试表明,异类机器人会绕圈移动,自发地和集体地将粒子推到中心位置。另一些在中心有一个洞来减少阻力。在这些模拟版本中,科学家们能够将这个洞重新设计成一个小口袋来装物品。约书亚·邦加说:“这是利用计算机设计的生物体实现智能药物输送的一步。”“应用前景

生活中常见的物品由钢、混凝土或塑料等材料制成虽然这些材料坚固可靠,但它们也造成生态和人类健康问题,如海洋中塑料污染日益严重、许多合成材料和电子产品的毒性等。

约书亚·邦加(Joshua Banga)说:“活组织的缺点是它很弱,会退化。””“这就是为什么我们使用钢然而,生物体进化了45亿年,当它们停止工作(死亡)时,通常会无害地解体。班加德说:“这些活机器人是完全可生物降解的。当他们在七天内完成他们的工作时,他们将变成死亡的皮肤细胞并被降解。”在新的实验中,科学家切开了活体机器人并观察了发生的事情邦加说:“我们把机器人切成两半。它会加入自己,继续前进。”这是传统机器做不到的。迈克尔·莱文和约书亚·邦加都说他们对细胞如何交流和连接有着深刻的理解,将计算科学和我们对生命的理解结合在一起莱文说:“生物学中最大的问题是理解决定形式和功能的算法。”基因组可以编码蛋白质,但是硬件如何使细胞在各种条件下合作进行功能解剖仍有待我们去发现。“

同时,为了使生物体发育和有用,已经在生物体的细胞内部和细胞之间进行了有机计算,而不仅仅是在神经元中这些几何特征是通过生物电、生物化学和生物力学形成的。莱文说:“这些过程在特定于脱氧核糖核酸的硬件上运行。”。“这些过程是可重构的,以创造新的生命形式潜在影响许多人担心快速的技术变化和复杂的生物操作的影响

莱文说:“这种恐惧不是不合理的“当我们开始搞砸我们不理解的复杂系统时,我们会得到意想不到的后果。”莱文说:“如果人类想要持续发展,我们需要更好地理解简单的规则如何以某种方式产生复杂的特征。他说,许多科学专注于“控制潜在的规则”我们还需要理解高阶规则。"莱文说:“我认为社会绝对有必要更仔细地处理结果非常复杂的系统。要做到这一点的第一步是探索:生命系统如何决定整体行为,以及我们如何操纵各个部分来实现期望的行为?换句话说,这项研究直接有助于解决人们的担忧,这是一个意想不到的结果。“

”包含了生活中所有固有的创造力“我们想更多地了解这一点,以及如何引导和推动它开发新的形式。”“

大家都在看

相关专题