认识异种机器人——由生命部件制成的微型机器

你可能听说过异种机器人，这是一种弗兰肯青蛙式的发明，研究人员将青蛙胚胎细胞变成微型生物机器，可以四处移动、推动或携带物体并协同工作。这些短暂的生物是由塔夫茨大学和佛蒙特大学的科学家团队于 2020 年首次制造出来的。

建造这些“机器人”的目的是为了了解细胞如何相互沟通。下面详细介绍了异种机器人的实际工作原理以及它们目前的用途。

什么是异种机器人（Xenobot）？

“活体机器人”听起来像是一个可怕的科幻术语，但它们与你在屏幕上看到的有感知能力的机器人完全不同。

塔夫茨大学高级科学家道格拉斯·布莱克斯顿说：“从最基本的层面上讲，这是一个利用细胞和组织构建的平台或方法，就像我们用机械部件构建机器人一样。你几乎可以把它想象成乐高积木，你可以把不同的乐高积木组合在一起，用同一套积木就可以制作出很多不同的东西。”

但是，为什么有人愿意用生物部件而不是金属和塑料等传统材料来制造机器人呢？一个优点是，拥有某种生物机器人意味着它是可生物降解的。在环境应用中，这意味着如果机器人坏了，它不会像金属、电池或塑料一样污染环境。研究人员还可以对异种机器人进行编程，使其在使用寿命结束时自然解体。

如何制作 xenobot？

异种机器人的构建模块来自于非洲雌性爪蛙产下的卵，这种蛙的学名为Xenopus laevis 。

与传统机器人一样，它们还需要其他基本组件：电源、用于移动的马达或执行器以及传感器。但对于异种机器人来说，所有这些组件都是生物的。

异种机器人的能量来自两栖动物卵中的蛋黄，蛋黄可以在不添加食物的情况下为这些机器提供大约两周的动力。为了让它们移动，科学家可以添加生物“马达”，比如肌肉或心脏组织。他们可以以不同的配置排列马达，让异种机器人朝特定方向或以特定速度移动。

“我们使用心脏组织是因为心脏细胞以规律的速率脉动，如果你用它来构建，它会产生一种尺蠖式的运动，”布莱基斯顿说。“我们得到的其他类型的运动来自纤毛。这些是细小的毛发状结构，在不同类型组织的外部跳动。这种运动在微观世界中占主导地位。如果你取一些池塘水并观察，你看到的大部分东西都会随着纤毛移动。”

科学家还可以添加光遗传肌肉组织或化学受体等组件，让这些生物机器人对环境中的光或其他刺激做出反应。根据异种机器人的编程方式，它们可以自主导航穿越周围环境，或者研究人员可以添加刺激来“驱动”它们四处移动。

“还有许多光合藻类具有光传感器，可以直接连接到马达上，这样它们就可以向着阳光游动，”布莱基斯顿说。“人们在基因层面上进行了大量研究，以修改这些传感器，使其对不同类型的化学物质或不同类型的光源做出反应，然后将它们与特定的马达联系起来。”

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即便是原始形态，异种机器人仍能传递某种记忆，或向研究人员传回关于它们去过哪里和做了什么的信息。“你可以很容易地将这些不同的传感器的激活与荧光分子联系起来，当它们被激活时，荧光分子会打开或改变颜色，”布莱基斯顿解释道。例如，当机器人在蓝光中游动时，它们的颜色可能会永久地从绿色变为红色。当它们穿过某些部分有蓝光的迷宫时，它们会根据在迷宫中做出的选择发出不同的颜色。研究人员可以在迷宫求解过程中走开，但仍然知道异种机器人是如何穿越迷宫的。

例如，如果它们感知到什么东西，它们还能释放一种化合物来改变水的颜色。

这些传感器使异种机器人易于管理。理论上，科学家可以制造一个系统，让异种机器人被特定波长的光吸引。然后他们可以将光照射到水中的某个区域以收集所有机器人。而那些漏网的机器人在使用寿命结束时仍然可以无害地分解。

Xenobot 模拟器

布莱基斯顿与西北大学和佛蒙特大学的合作者一起，使用他们开发的人工智能模拟器来设计不同类型的异种机器人。“它看起来有点像《我的世界》 ，你可以在物理环境中模拟细胞，它们的行为就像现实世界中的细胞一样，”他说。“红色的是肌肉细胞，蓝色的是皮肤细胞，绿色的是其他细胞。你可以给计算机一个目标，比如：‘用 5,000 个细胞为我建造一个可以直线行走或捡起东西的异种机器人’，它会在超级计算机上尝试数亿种组合，并返回给你它认为性能极佳的蓝图。”

他所创造的大多数异种机器人都来自该人工智能所制作的蓝图。他说，这加快了原本需要数千年才能完成的过程。而且它也相当准确，尽管在使用模拟器和模拟现实世界的生物学之间需要反复进行。

布莱基斯顿和他的同事使用的异种机器人没有经过基因改造。“当我们看到异种机器人进行运动自我复制并复制自己时，我们并没有对此进行编程。我们不必设计一个电路来告诉细胞如何进行运动自我复制，”塔夫茨大学生物学教授迈克尔·莱文说。“我们触发了一些东西，让它们学会了这样做，我们通过给予细胞正确的刺激来利用细胞天生的解决问题的能力。”

Xenobots能帮助我们做什么？

Xenobot 不仅仅是一团凝结在一起的细胞——它们像一个生态系统一样工作，可以用作探索新空间的工具，在某些情况下确实是如此，例如寻找水中的镉污染。

“我们以非自然的方式将细胞挤在一起。有时这样做有效，有时细胞不合作，”布莱克斯顿说。“我们了解到了很多有趣的疾病模型。”

例如，利用一种异种机器人模型，他们能够检查肺细胞中的纤毛如何将颗粒推出气道或正确传播粘液，并发现如果纤毛不能按预期工作，系统就会出现缺陷。

莱文说，更深层次的应用是利用这些生物机器人来了解集体智慧。这可能是再生医学领域的一项突破性发现。

“例如，细胞并非天生就适合做这些特定的事情。它们可以适应变化并形成不同的结构，”他补充道。“一旦我们弄清楚细胞如何共同决定它们要形成什么结构，我们就可以利用这些计算来构建新器官、在受伤后再生、重新编程肿瘤——所有这些都来自于使用这些生物机器人来了解集体决策是如何进行的。”