导视：科学家们重新利用活的青蛙细胞，并将它们组装成全新的生命形式。这些微小的“异种机器人”可以向目标移动，并在被割伤后自行痊愈。这些新奇的活机器既不是传统的机器人，也不是一种已知的动物。它们是一种新的人工制品:一种活的、可编程的有机体。
书是由木头制成的。但它不是一棵树。死去的细胞被重新利用来满足另一种需求。
现在，一组科学家重新利用从青蛙胚胎中提取的活细胞，将它们组装成全新的生命形式。这些几毫米宽的“异种机器人”可以向目标移动，可能会携带一个有效载荷(就像一种药物，需要被运送到病人体内特定的地方)——并在被割伤后自行愈合。
“这些都是新奇的活体机器，”佛蒙特大学(University of Vermont)的计算机科学家和机器人专家乔舒亚·邦加德(Joshua Bongard)说，他是这项新研究的负责人之一。
“它们既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种。这是一种新的人工制品:一种活的、可编程的有机体。”
这些新生物是在UVM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。“我们可以想象许多有用的应用程序,这些生活机器人其他机器不能做,”的负责人迈克尔·莱文领头人说再生和发育生物学中心塔夫茨,“像寻找严重的化合物或放射性污染,收集海洋中的塑料微粒,旅行在动脉斑块刮出来。”
这项新研究的结果发表在1月13日的《美国国家科学院院刊》上。
定制的生命系统
至少从农业出现之初，人们就开始为了人类的利益而操纵有机体，基因编辑变得越来越普遍，过去几年里，一些人工有机体已经被人工装配——复制已知动物的身体形态。
但是这项研究，有史以来第一次，“从头开始设计完全的生物机器，”研究小组在他们的新研究中写道。
在UVM的佛蒙特州高级计算中心的深绿超级计算机集群上花费了几个月的处理时间，包括主要作者和博士生萨姆·克里格曼(Sam Kriegman)在内的研究团队使用进化算法创建了数千种新生命形式的候选设计。
为了完成科学家布置的任务——比如向一个方向移动——计算机会一次又一次地把几百个模拟细胞重新组装成无数的形状和体型。
随着程序的运行——由单个青蛙皮肤和心脏细胞的生物物理学的基本规则驱动——更成功的模拟有机体被保留和细化，而失败的设计则被淘汰。经过100次独立运行的算法，最有前途的设计被挑选出来进行测试。
然后，由莱文领导的塔夫茨团队和显微外科医生道格拉斯·布莱基斯顿(Douglas black活塞)的关键工作——将硅材料的设计转化为现实。
首先，他们从非洲青蛙(Xenopus laevis)的胚胎中提取干细胞。(因此得名“异种机器人”)这些机器人被分离成单个细胞，让它们孵化。
然后，使用微型镊子和更小的电极，细胞被切割并在显微镜下连接成计算机指定的近似设计。
这些细胞被组装成自然界中从未见过的身体形态，开始协同工作。皮肤细胞形成了一种更加被动的结构，而心肌细胞的一次随机收缩在计算机设计的指导下产生了有序的向前运动，并在自发的自组织模式的帮助下——允许机器人自己移动。
这些可重组的有机体被证明能够以一种连贯的方式移动——在胚胎能量储存的支持下，探索它们的水环境数日或数周。然而，他们翻身失败了，就像翻身的甲虫一样。
后来的测试显示，一群异种机器人会绕着圈子移动，把小球推到一个中心位置——自发地、集体地。另一些则在中间开了一个洞，以减少阻力。
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袋子，成功地携带一个物体。“这是将计算机设计的生物用于智能药物输送的一个步骤，”UVM计算机科学与复杂系统中心的教授Bongard说。
生命技术
许多技术是由钢、混凝土或塑料制成的。这可以使他们强大或灵活。但它们也会造成生态和人类健康问题，比如海洋塑料污染日益严重，以及许多合成材料和电子产品的毒性。Bongard说:“活组织的缺点是它很脆弱，而且会退化。”“这就是我们使用钢铁的原因。但生物体有45亿年的自我再生的实践，并持续了几十年。”当它们停止工作——死亡——它们通常会毫无伤害地解体。“这些异种机器人是完全可生物降解的，”邦加德说，“七天后当它们完成工作时，它们只是死皮细胞。”
你的笔记本电脑是一项强大的技术。但试着把它切成两半。效果不太好。在新的实验中，科学家们切掉异种机器人并观察发生了什么。
邦加德说:“我们把机器人切成两半，它自己缝合起来，继续工作。”“这是典型的机器做不到的。
破解代码
莱文和邦加德都表示，他们所研究的细胞如何沟通和连接的潜力，已经深入到计算科学和我们对生命的理解中。
“生物学的大问题是理解决定形式和功能的算法，”莱文说。“基因组编码蛋白质，但革命性的应用还在等待我们的发现，即在非常不同的条件下，这种硬件如何使细胞协作，形成功能性的解剖结构。”
为了使一个有机体发育和发挥功能，细胞内部和细胞之间一直在进行大量的信息共享和合作——有机计算，而不仅仅是在神经元内部。
这些涌现和几何特性是由生物电气、生化和生物力学过程形成的，“这些过程在dna指定的硬件上运行，”Levin说，“这些过程是可重新配置的，使新的生命形式成为可能。”
科学家们在他们新的PNAS研究中提出的工作——“设计可重构生物体的可伸缩管道”——是将有关这种生物电代码的见解应用于生物学和计算机科学的一个步骤。
“究竟是什么决定了解剖结构与哪些细胞相互配合?”莱文问道。“看看我们用青蛙制造的异种机器人细胞。这是100%的青蛙DNA——但这些不是青蛙。然后你会问，这些细胞还能制造什么?”
莱文说:“正如我们所展示的，这些青蛙细胞可以被诱导产生有趣的生命形式，这些形式与它们默认的解剖结构完全不同。”
他和其他科学家在UVM和塔夫茨大学的团队——与美国国防部高级研究计划局的支持终身学习机器计划和美国国家科学基金会——相信建筑xenobots开裂是一个小的一步他所谓的“形态形成的代码,提供了一个更深的了解整个生物体的组织方式,以及它们如何计算和存储信息根据他们的历史和环境。
未来的冲击
许多人担心快速的技术变革和复杂的生物操作的影响。莱文说:“这种担心并非毫无道理。“当我们开始摆弄我们不理解的复杂系统时，我们将会得到意想不到的后果。”
许多复杂的系统，比如一个蚁群，都是从一个简单的单位——一只蚂蚁——开始的。从这个单位出发，我们不可能预测它们的蚁群的形状，也不可能预测它们如何用彼此相连的身体在水上架起桥梁。
莱文说:“如果人类要生存到未来，我们需要更好地理解复杂的属性是如何从简单的规则中产生的。”很多科学研究都集中在“控制低级规则”上。我们还需要了解高层规则，”他表示。“如果你想要一个有两个烟囱而不是一个的蚁丘，你该如何改造蚂蚁呢?”我们不知道。”
莱文说:“我认为，社会进步绝对有必要更好地处理那些结果非常复杂的系统。”“实现这一目标的第一步是探索:生命系统如何决定整体行为应该是什么，我们如何操纵碎片以获得我们想要的行为?”
换句话说,“这项研究直接贡献对付什么人都害怕,这是意想不到的后果,”莱文说,无论在自动驾驶汽车的迅速到来,改变基因驱动消灭整个血统的病毒,或许多其他复杂和自治系统,将越来越多地塑造人类的经历。
“生命中有所有这些天生的创造力，”UVM的Josh Bongard说。“我们想更深入地了解这一点——以及我们如何引导和推动它走向新的形式。”
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