昨天，追蹤君發(fā)布了關(guān)于全球首例活體機(jī)器人的文章，引起了很多朋友的討論，內(nèi)容詳見：《火種還是魔盒？世界上第一個可編程的活體機(jī)器人誕生》、《全球首例活體機(jī)器人誕生了！可編程、可進(jìn)化、可自愈，這是希望的火種還是災(zāi)難的魔盒？》。
今天，追蹤君再來揭秘一下這個活體機(jī)器人究竟是如何被研發(fā)出來的。
在說活體機(jī)器人之前，我們先來看下美國未來生命研究所創(chuàng)始人邁克斯·泰格馬克的《生命3.0》，看下他對于生命形態(tài)的三種劃分。
邁克斯在書中闡述，生命1.0這類生命系統(tǒng)不能重新設(shè)計(jì)自己的軟件和硬件，其軟硬件由dna決定，只能由漫長而緩慢的進(jìn)化來實(shí)現(xiàn)，地球現(xiàn)存的大多數(shù)動植物都屬于這類。
等到生命進(jìn)階到2.0階段，這類生命系統(tǒng)雖然還是不能升級硬件，但卻產(chǎn)生了智識，能夠通過不斷的學(xué)習(xí)掌握更多的技能，升級自己的軟件系統(tǒng)來應(yīng)對環(huán)境的變化，而硬件部分就是仍需要漫長的時(shí)間來進(jìn)化，毫無疑問，目前的人類正處于這樣的階段。
而假使生命邁入3.0階段，系統(tǒng)則能不斷升級自己的軟件和硬件，不用等待許多代的緩慢進(jìn)化。邁克斯表示，未來的人工智能或許將成為生命3.0的代表。
用進(jìn)化算法設(shè)計(jì)出模型 用生物技術(shù)篩選出最終的細(xì)胞機(jī)器人
這次報(bào)道出來的活體機(jī)器人xenobot長度不到1毫米，取自非洲爪蛙胚胎中的干細(xì)胞，由非洲爪蛙心臟細(xì)胞（收縮細(xì)胞）和表皮細(xì)胞（被動細(xì)胞）結(jié)合而成。
圖左為超級計(jì)算機(jī)的模型，圖右為實(shí)際的細(xì)胞機(jī)器人
佛蒙特大學(xué)的研發(fā)人員先借助具有20000臺電腦計(jì)算能力的超級計(jì)算機(jī)集群，通過進(jìn)化算法，模擬出多代、數(shù)千個候選設(shè)計(jì)的進(jìn)化進(jìn)程，然后再從這些設(shè)計(jì)中最終篩選出了可定向移動的機(jī)器人形態(tài)。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型的過程和原理：
在研究人員的設(shè)定下，憑借超級計(jì)算機(jī)集群強(qiáng)大的算力，計(jì)算機(jī)會一遍又一遍地將幾百個模擬細(xì)胞重組成各種形狀和體型。
當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)（受有關(guān)青蛙皮膚和心臟細(xì)胞可以做什么的生物物理基本規(guī)則的驅(qū)動），更成功的模擬有機(jī)體被保留和完善，而失敗的設(shè)計(jì)被淘汰。在算法獨(dú)立運(yùn)行一百次之后，選出了最有前途的設(shè)計(jì)進(jìn)行測試。
具體而言就是，計(jì)算機(jī)首先利用500到1000個虛擬細(xì)胞創(chuàng)建出一組隨機(jī)設(shè)計(jì)的生物體，每種設(shè)計(jì)都有皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞的隨機(jī)排列?；谛募〖?xì)胞會自發(fā)收縮和舒張（劃重點(diǎn)：這是細(xì)胞運(yùn)動的引擎），被設(shè)計(jì)出的生物體有定向移動的可能。
如果這些心肌細(xì)胞收縮和舒張行為協(xié)調(diào)得好，極少數(shù)雛形就會產(chǎn)生微弱的運(yùn)動能力。那么研究人員就將這些攜帶運(yùn)動能力的雛形進(jìn)一步復(fù)制，其下一代有可能會出現(xiàn)移動速度更快的版本。
活體機(jī)器人模型轉(zhuǎn)化成生命體的過程：
研究人員先從爪蛙胚胎干細(xì)胞中分化出不能活動的表皮細(xì)胞（被動細(xì)胞）和能夠自主收縮的心臟細(xì)胞（收縮細(xì)胞）。
將胚胎細(xì)胞切開并分開培養(yǎng)。
然后分開培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行重組。
最后，按照超級計(jì)算機(jī)模擬出來的設(shè)計(jì)，用鑷子和電極對這個重塑的細(xì)胞進(jìn)行“雕琢”，并對具有運(yùn)動能力的雛形進(jìn)一步復(fù)制和篩選，如此反復(fù)復(fù)制多代后就會出現(xiàn)能快速移動的機(jī)器人版本。
研究人員表示，這種運(yùn)動來自計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。據(jù)稱，將這個細(xì)胞機(jī)器人進(jìn)行翻轉(zhuǎn)后，它就像烏龜翻轉(zhuǎn)過來一樣四腳朝天不再運(yùn)動?！斑@說明向前運(yùn)動是人工設(shè)計(jì)的結(jié)果，而不是來自偶然?！?/p>
震驚！被切開不僅能自愈還能繼續(xù)運(yùn)動
非洲爪蟾的細(xì)胞本身并不特殊，但其組成的這個生物體卻表現(xiàn)出了生物活體的行為。這個可編程細(xì)胞機(jī)器人不僅能維持形態(tài)，還能在遭受破壞時(shí)自我修復(fù)。
被切開后自愈
在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家就將活體機(jī)器人切開兩半，觀察究竟會發(fā)生什么。計(jì)算機(jī)科學(xué)家和機(jī)器人專家bongard說：“我們發(fā)現(xiàn)，它會把自己重新縫合起來，然后繼續(xù)前進(jìn)。這是一般機(jī)器無法做到的?！?/p>
研究人員表示，目前活體機(jī)器人可在水性環(huán)境中存活長達(dá) 10 天，并能移動而無需額外補(bǔ)充營養(yǎng)。一些機(jī)器人可直線前行，一些機(jī)器人可繞圈。
物體運(yùn)輸
測試表明，有的細(xì)胞機(jī)器人可以自發(fā)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(jī)器人有進(jìn)行藥物遞送的潛力。
研發(fā)人員表示，未來希望能夠?qū)崿F(xiàn)用哺乳動物細(xì)胞來創(chuàng)造出“可能有血管、神經(jīng)系統(tǒng)、感覺細(xì)胞、眼睛的”機(jī)器人。那么問題就會隨之而來，如果生物細(xì)胞機(jī)器人產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)和感知系統(tǒng)的話，就要涉及倫理問題了。
不過，這次的研究對于揭開細(xì)胞之間通訊的奧秘具有重大的意義，生物體形態(tài)和功能的關(guān)系一直是重大科學(xué)問題，其中細(xì)胞通訊很是關(guān)鍵。
同時(shí)，《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道說，研究參與者、塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心主任邁克爾 · 列文（michael levin）教授認(rèn)為，如果人類對控制生命的生長和形態(tài)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(shí)驗(yàn)室主要通過實(shí)驗(yàn)和建模來研究細(xì)胞通訊和組織形態(tài)的關(guān)系，以及細(xì)胞通訊在胚胎發(fā)育過程中的分子機(jī)制。
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文/寒春暮雪
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