图片展现的是结合了核算机和活细胞技能的“活体机器人”。
提到机器人，咱们或许会当即想到由钢铁铸成的机械体，装备着电缆和高科技的操控渠道，这些机器人往往是冷冰冰的坚固金属。可是，假如告知你，用活细胞做成的机器人不只软绵绵的像细胞团相同具有弹性，而且还能够运动，你能够幻想吗？
最新宣布在《美国科学院院刊》的一项研讨就展现了首个由爪蟾细胞制成的活细胞机器人，这种全新的机器人被称作“Xenobots”。虽然其表面看起来仅仅一小团细胞，但Xenobots能够朝着特定的方向移动，而且被切开后，还能自行恢复，具有强壮的延展性和可塑性。研讨人员把这种由活细胞构成的机器称作定制生命体系（Bespoke Living system），比较于组成资料铸成的机器，活体生命体系在结构和功用上具有更强的可塑性。
开端的测验
在Xenobot之前，现已有一些办法用于规划和构建生命体系，比方关于单细胞构成的安排团块，虽然研讨人员能够终究靠重构单细胞的基因组，改动它的特性，但很难操控这团安排的形状和行为。而人工组成的类器官虽然能够模仿实在器官的结构，但咱们却不能够操控类器官的运动。研讨人员还能经过3D打印制作生物结构，在这种情况下，能够操控结构的外形，但却无法猜测这些结构能做出何种行为。
正是依据上述不完美的测验，美国索尔克生物学研讨所的研讨人员想到，已然猜测不了生命体系的表面和行为，那能否让这些细胞自己学习该怎样做呢？为此，他们规划了一种演化算法，然后把非洲爪蟾的皮肤细胞和心肌细胞作为基础模块，输入核算机模型中。
用算法规划细胞机器人
在演化算法的协助下，核算机模型开端自己学习怎样拼装非洲爪蟾的细胞，而且会实时反应细胞是怎样组合的。在这一过程中，研讨人员会向核算机模型输入一些要求，比方期望建立的“细胞机器”能够向一个方向移动，或许带有孔洞来嵌入外部分子。而核算机模型收到指令后，就会开端使用算法自己探究建立条件。
核算机模型在运转算法时，会充分考虑两种非洲爪蟾的细胞的功用，然后再把两种细胞按不同份额组合起来，比方，把心脏细胞放在皮肤细胞下面，这样组成的“细胞机器”或许就能动起来。经过多轮测验，一些显着会失利的细胞组合会被核算机除掉，而能动起来的组合就会被留下来，供研讨人员用于后续测验和挑选。
论文首要作者之一JoshuaBongard教授
因为这种会自己动的细胞团块既不是机械设备，也明显不是动物，因而研讨人员给这种活体机器人拟定了一个全新的分类：“有生命的，而且能够编程的生命体”。而在数个月的模仿中，核算机模型生成了成百上千个或许变成活体机器人的细胞组合，研讨人员后续要做的便是，用实在的细胞把活体机器人制作出来，然后测验它们是否能像在核算机模型中相同能够运动，也能够操控。
在这幅图中，研讨者展现了核算组织建出的活体机器人模型，其间赤色块代表着青蛙的心脏细胞，而蓝色代表着皮肤细胞。将这些模块挑出来后，就能用细胞拼凑出实践的模型，比方右侧就展现了依据模型构筑的青蛙细胞团块。
自发运动，自我修正
担任核算机模仿的搭档将优化后的模仿成果转交给担任细胞试验的搭档后，非洲爪蟾的胚胎就派上了用场。塔夫茨大学的研讨人员把爪蟾的胚胎干细胞提取出来，然后制备成单个的干细胞。
研讨人员会持续培育干细胞，然后诱导它们分解，终究变成活体机器人的要害组成单元——皮肤细胞和心肌细胞。两种细胞按什么份额混合，组组成什么方法，都是依照核算机模型给出的成果来履行的。皮肤细胞更像是结构的支撑单元，担任安稳整个活体机器人的结构；而心肌细胞则担任供给动力，它们会依据细胞的组合方法来调控运动的方向，并决议行进仍是撤退。
假如某一种细胞团块能够运动，也能够操控，那么这个细胞组合就会被保存下来，研讨人员也会从头将这个组合的相关数据输入核算机模型进行优化。而那些不能依照研讨人员要求运作的细胞团块则会被抛弃。
终究，研讨人员依据核算机模仿的成果，制作出了能够运动，而不需要额定能量和动力的活体机器人。在研讨人员供给的水环境中，活体机器人能够运动数天到数周，它们的能量彻底来自细胞自身。而一旦能量用完，这些活体机器人就成为了一团死细胞，能够被降解。
活体机器人的自我移动轨道
虽然没有大脑和神经体系操控，这些活体机器人都会以令人惊奇的方法运动。它们会不断改动自己的运动轨道，而且不同的活体机器人有着不同的移动方法。最奇特的是，即便研讨人员用刀将一个活体机器人切开，它也能当即自我修正，重现了科幻电影《终结者》里那些机器人受伤后自愈的体现。
逾越机械机器人
这项研讨展现了多个活体机器人模型，有一些乃至能够自发地转圈，几个活体机器人乃至会自发集合到一同，推进药丸往前走。还有一些活体机器人的中心带一个小孔，在这个小孔中，研讨人员能够增加药物或许其他分子，让活体机器人带着药物或分子往前走。“这适当所以一种用电脑规划出来的活体的药物传递体系，”研讨首要参与者、美国佛蒙特大学核算机科学和杂乱体系中心的JoshuaBongard教授表明。
跟着活体机器人的呈现，许多范畴的技能将或许迎来革新，比方让活体机器人带着药物定向地向病灶传递药物，又或许在污染水体中搜索化学物质，在海洋中搜集微塑料颗粒。而且，这种机器人的呈现也给传统的生物学家抛出了一个要害问题：在活体机器人中，细胞究竟是怎样进行沟通的？
在活体机器人中，细胞受损了会自我修正，精密度堪比科幻电影；而同类型的活体机器人碰到一同后会集合成团块，一起协作。细胞之间是怎样样做如此完美地沟通，这正是研讨人员下一步想要破解的。“活体机器人现已呈现了，现在最重要的是，咱们怎样能操控它，”论文的首要作者Michael Levin表明。
在研讨人员眼里，活体机器人百分之百都是蛙类的DNA，可是它又不是青蛙。现在这些爪蟾的细胞渐渐的变成了了组成“新物种”的模块，你很难幻想它们能有多少种组成方法。“它们有着现代钢铁机器人做不到的身手，”Levin说。
文/杨心舟
审校/上海交通大学体系生物医学研讨院陈聪博士
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