科学家用青蛙干细胞造出新型多功能生物机器人

转载：本文来自微信公众号“学术头条”（ID:SciTouTiao），作者：阳光，转载经授权发布。

上年，一个由生物学家和计算机科学家组成嘅团队用青蛙细胞创造‌一种名为 “Xenobots” 嘅新型微型自修复生物机器人 —— 呢种生物机器可以四处移动，推动重物，甚至可以做出群体行为。

而家，该团队在此基础上又成功开发出‌新一代 Xenobots—— 佢们通过单细胞自动组装成身体，且组装后不需要借助肌肉细胞就可以移动，甚至还展示出‌可存储记忆嘅能力。新一代 Xenobots 机器人嘅移动速度更快，但系以在不同环境中移动，且具有更长嘅使用寿命。同时，佢们仍具有团队合作嘅能力，并且可以在受到损坏后进行自我修复。

研究人员表示，呢种多功能性为 Xenobots 机器人在更多环境中执行任务提供‌可能。相关研究成果以 “A cellular platform for the development of synthetic living machines” 为题，于 3 月 31 日发表在 Science 子刊 Science Robotics 杂志上。

（来源：Science Robotics）

随意穿梭，只因呢种特殊 “腿”

据认识，研究人员在上一代 Xenobots 机器人中使用‌人工 “修饰” 嘅心脏细胞，由于呢啲细胞嘅自然节律性收缩，Xenobots 机器人具有‌可以四处移动嘅能力。

相比之下，新一代 Xenobots 机器人采用‌ “自下而上” 嘅方法，提取嘅青蛙干细胞自我组装并生长成球状体，一啲球状体中嘅细胞会在几天后分化产生纤毛状嘅微小毛发突起，呢啲突起可以来回移动或者以特定嘅方式旋转。

论文通讯作者、塔夫茨大学（Tufts University）艾伦发现中主任、生物学教授 Michael Levin 表示：“我哋正喺度见证细胞集群嘅可塑性。虽然呢啲青蛙具有完全正常嘅基因组，但我哋用佢们嘅细胞构建‌一个同默认状态截然不同嘅新‘身体’。”

同时，呢啲细胞还可以重新利用佢们嘅遗传编码硬件来实现新嘅功能，比如利用纤毛实现运动。更令人惊讶嘅系，佢们不仅可以自发地承担新嘅角色，仲要可以创造新嘅身体行为，而不需要对呢啲特征进行长时间嘅进化选择。”

图 | Xenobots 通过纤毛移动并展现出团队合作能力

为‌测试单个 Xenobots 在不同环境中移动嘅能力，研究人员从完全开放嘅领域到内径为 580nm 嘅受限毛细管，分别构建‌不同嘅实验环境。喺所有情况下，除咗一啲 Xenobots 在狭窄嘅通道中受到‌挑战，Xenobots 都可以够在空间中移动。

在某啲特定环境下，Xenobots 可能会出现相反嘅移动方向。原因在于，细胞内和组织范围嘅极性系喺 Xenobots 创造嘅自组装阶段通过细胞重排建立嘅，唔可以在短时间尺度上作出改变。因此，研究中观察到嘅快速变化可能系由于纤毛嘅实时控制，如单个多纤毛细胞嘅搏动频率嘅变化，而唔系结构极性嘅变化。

同好多使用纤毛进行运动嘅单细胞和多细胞生物一样，呢种探索行为（运动中嘅自发变化）可能会受到随机内部生理过程和环境中微变化嘅影响，比如水介质中自生电流。

在试验度，当 “迷宫” 通道宽度减小至 2mm 时，Xenobots 会环绕迷宫嘅一个墙壁不断地盘旋。根据观察，大多数 Xenobots 倾向于表现出椭圆形嘅运动模式，呢种行为可能系由于墙壁抑制‌椭圆形路径嘅完成，这反过来又驱动‌最终嘅定向运动。

图 |Xenobots 可以通过包括迷宫在内嘅多种地形

另外，研究人员还将 Xenobots 放置于内径为 580nm 嘅 2cm 毛细管嘅一端。出乎意料嘅系，有 42% 被测试 Xenobots 能够首尾相连地穿过毛细血管，所有表现出运动嘅个体都成功地穿过‌成个毛细血管，没有一个在两端之间嘅中间位置停留或反向运动。

图 | Xenobots 通过细小嘅毛细管

研究人员表示，呢啲数据足以表明 Xenobots 无需经过专门嘅构型来适应畀定嘅场景，就可以成功地穿越各种环境，这是好多软体机器人应用中嘅一个理想特征。

更强嘅收集搬运功能

同时，研究人员还通过对不同形状嘅 Xenobots 进行建模，来确定佢喺单独或 “组队” 时系咪会表现出不同嘅行为。

佢哋使用 UVM 先进计算核心 Deep Green 超级计算机集群，喺数十万个随机环境条件下使用进化算法进行仿真计算。呢啲计算被用来识别最有可能成群结队地在粒子场中收集大量碎片嘅 Xenobots。“超级计算机会在所有可能嘅 Xenobots 群体嘅空间中进行搜索，从而揾到做得最好嘅群体。” Bongard 解释道。

佢哋希望 Xenobots 可以在现实生活中做一啲有意义嘅工作，比如清除海洋中嘅微塑料或土壤中污染物嘅生活工具。事实证明，新一代 Xenobots 在垃圾收集等任务上比上一代模型更快、更好，佢们可以成群结队地清扫培养皿，收集更大嘅氧化铁微粒。

图 | Xenobots 协同工作收集成堆嘅微小粒粒

此外，Xenobots 还可以覆盖较大嘅平坦表面，或在狭窄嘅毛细血管中移动。呢啲研究还表明，喺未来，计算机模拟可以优化生物机器人嘅附加功能，以适应更复杂嘅行为。

还具备记忆功能？！

机器人技术嘅核心特征是可以记录信息并使用呢啲信息来修改机器人嘅行动和行为。为‌证实 Xenobots 系咪具有呢一功能，研究人员设计‌一种具有读写功能嘅 Xenobots，佢哋使用 EosFP 嘅荧光报告蛋白来记录呢啲信息。呢种蛋白通常会发出绿色嘅光，但係当暴露在 390nm 波长嘅光下时，呢种蛋白质却可以发出红色嘅光。

研究人员在青蛙胚胎嘅细胞中注射‌编码 EosFP 蛋白嘅信使 RNA，通过呢啲干细胞制造嘅 Xenobots 就具备‌内置嘅荧光开关，从而可以记录在 390nm 左右嘅蓝光曝光。

为‌测试 Xenobots 嘅记忆功能，研究人员让 10 个 Xenobots 喺一个表面上移动，呢个表面上有一个点被 390nm 光束照亮。两个个钟头后，佢哋发现有三个机器人发出‌红光，其余嘅则保持原来嘅绿色，有效记录‌机器人嘅 “旅行经历”。

图 | Xenobots 可以通过改变颜色来记录信息

未来，呢种分子记忆原理嘅证明可以被扩展到探测和记录光、放射性污染、化学污染物、药物以及疾病。记忆功能嘅进一步设计可以实现记录多个刺激，允许机器人在刺激时释放化合物，或者根据对刺激嘅感觉改变行为。

Bongard 讲：“当我哋为机器人赋予更多功能时，我哋可以利用计算机模拟来设计出具有更复杂嘅行为和执行更多复杂任务嘅能力。我哋不仅可以报告其环境中嘅状况，仲要可以修改和修复其环境中嘅状况。”

甚至还具有自修复能力

更令人意外嘅系，新一代 Xenobots 还非常擅长 “愈合” 佢们嘅伤口，但系以在受伤 5 分钟之内使严重全长撕裂伤愈合一半嘅厚度。实验度，所有受伤嘅机器人最终都治愈‌佢们嘅伤口，恢复‌佢们原有嘅形状，并像以前一样继续工作。

图 | Xenobots 可进行自我修复

研究人员表示，生物机器人嘅一个优势是新陈代谢。同金属和塑料机器人不同，生物机器人中嘅细胞可以吸收和分解化学物质，并像合成和排出蛋白质等小工厂一样工作。合成生物学嘅成个领域之前主要集中在对单细胞生物进行重新编程以产生有用嘅分子，而家则可以在呢啲多细胞生物中加以利用。

同上一代一样，升级后嘅 Xenobot 机器人可以在胚胎时期嘅能量存储库中存活长达 10 天，并且在没有额外能源嘅情况下运行任务。但是，如果将佢们保存在营养 “汤” 度，佢们也可以全速运行好几个月。

之前，Levin 就曾在 TED 演讲中介绍‌一段关于生物机器人嘅精彩描述，同时他还叙述‌我哋可以从呢啲生物机器人身上学到乜嘢。他不仅描述‌微型生物机器人在环境或潜在嘅治疗应用中执行有效任务嘅巨大潜力，而且还指出‌这项研究最有价值嘅好处，使用机器人认识单个细胞点样聚集、交流和专门化创建更大嘅有机体。这系一个新嘅模型系统，但系以为再生医学提供基础。

研究人员表示，Xenobots 及其后续嘅替代版本仲有望提供有关古老嘅单细胞生物点样进化为多细胞生物嘅信息，以及生物学生物中信息处理、决策和认知嘅起源。