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使用青蛙细胞建造的活机器人

2020-02-25 12:37:32    来源:    我来说两句()
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 一本书是用木头做的。但这不是一棵树。死细胞已重新用于其他需求。

现在,一组科学家重新利用了从青蛙胚胎中提取的活细胞,并将它们组装成全新的生命形式。这些毫米级的“异种机器人”可以朝目标移动,也许会捡起有效载荷(例如需要运到患者体内特定位置的药物),并在被切割后自行治愈。

佛蒙特大学的计算机科学家和机器人专家Joshua Bongard说:“这些都是新颖的生活机器。” “它们既不是传统的机器人,也不是已知的动物物种。它是一类新的人工制品:一种活的可编程生物。”

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。塔夫茨再生与发育生物学中心的负责人迈克尔·莱文说:“我们可以想象这些活人机器人在许多有用的应用中是其他机器无法做到的,就像寻找令人讨厌的化合物或放射性污染,收集微塑料一样。”在海洋中,在动脉中刮擦斑块。”

这项新研究的结果于1月13日在美国国家科学院院刊上发表。

定制生活系统

至少从农业的曙光开始,人们就一直在为人类的利益而操纵生物,遗传编辑正变得越来越普遍,并且在过去的几年中已经人工组装了一些人造生物-复制已知动物的体型。

但是,该研究小组首次在研究中写道:“这项研究是“从头开始完全设计生物机器的”。

在UVM的佛蒙特州高级计算核心的Deep Green超级计算机集群上进行了数月的处理之后,该团队-包括主要作者和博士生Sam Kriegman-使用了一种进化算法为新的生命形式创建了数千个候选设计。尝试完成科学家分配的任务(例如在一个方向上移动),计算机将一遍又一遍地将几百个模拟细胞重新组装成多种形式和身体形状。随着程序的运行-受有关青蛙蛙皮肤和心脏细胞可以做什么的生物物理学基本规则的推动-保留并改进了更成功的模拟生物,同时抛弃了失败的设计。在算法独立运行一百次之后,选择了最有前途的设计进行测试。

然后,在莱文(Levin)的带领下,在塔夫茨(Tufts)的团队以及显微外科医生道格拉斯·布莱克斯顿(Douglas Blackiston)的关键工作下,计算机技术的设计得以实现。首先,他们收集了从非洲蛙(非洲爪蟾)的胚胎中收获的干细胞。(因此名称为“ xenobots”。)将它们分成单个细胞,然后进行孵育。然后,使用微小的镊子和均匀的电极,将细胞切割并在显微镜下连接成计算机指定设计的近似值。

这些细胞组装成自然界中从未见过的身体形态,开始协同工作。皮肤细胞形成了更加被动的架构,而曾经随机收缩的心肌细胞开始工作,在计算机的设计指导下,并在自发的自组织模式的帮助下,创造了有序的向前运动-允许机器人继续前进他们自己的。

这些可重构生物被证明能够以连贯的方式移动-在胚胎储能的支持下,探索其水环境数天或数周。翻开,但是,他们失败了,就像甲虫倒在他们的背上。

后来的测试表明,异种机器人会绕圈运动,将颗粒自发地和集体地推到中心位置。其他的则建有一个穿过中心的孔,以减少阻力。在这些的模拟版本中,科学家们能够将这个孔重新定位为可成功携带物体的小袋。UVM的计算机科学与复杂系统中心系教授Bongard说:“这是朝着使用计算机设计的生物体进行智能药物输送迈出的一步。”

生活技术

许多技术是由钢,混凝土或塑料制成的。这可以使它们强大或灵活。但是它们也会造成生态和人类健康问题,例如海洋中日益严重的塑料污染祸害以及许多合成材料和电子产品的毒性。邦加德说:“活组织的缺点是它薄弱并且会降解。” “这就是我们使用钢铁的原因。但是,有机体具有45亿年的再生自身实践并持续数十年的实践。” 当他们停止工作时-死亡-他们通常会无害地分崩离析。邦加德说:“这些异种机器人是完全可生物降解的,当他们在工作七天后完成工作时,它们只是死了的皮肤细胞。”

您的笔记本电脑是一项强大的技术。但是尝试将其切成两半。效果不是很好。在新的实验中,科学家切割了异种机器人并观察了发生的情况。邦加德说:“我们将机器人切成两半,然后将自己缝合起来,然后继续前进。” “这是典型机器无法做到的。”

破解密码

Levin和Bongard都表示,他们已经学到的有关细胞如何进行通讯和连接的潜能已深入到计算科学和我们对生命的理解中。莱文说:“生物学的最大问题是了解决定形式和功能的算法。” “基因组编码蛋白质,但是转化性的应用正在等待我们发现这种硬件如何使细胞能够在非常不同的条件下协作进行功能解剖的发现。”

为了使有机体得以发展和发挥功能,许多信息共享与合作(有机计算)一直在细胞内和细胞间进行,而不仅限于神经元内。这些新兴的几何特性是由生物电,生物化学和生物机械过程所塑造的,“这些过程在DNA特定的硬件上运行,”莱文说,“这些过程是可重新配置的,从而可以创造出新颖的生命形式。”

科学家们看到了他们最新的PNAS研究中提出的工作-“用于设计可重构生物的可扩展管道”,这是将对这种生物电代码的见解应用于生物学和计算机科学的第一步。“究竟是什么决定了细胞协同作用的解剖结构?” 莱文问。“您看一下我们一直在用异种机器人构建的细胞,并且从基因上讲,它们是青蛙。这是100%的青蛙DNA,但这些不是青蛙。然后,您问,那么,这些细胞还能做什么?建造?”

莱文说:“正如我们所展示的,这些青蛙细胞可以被诱使成有趣的生物形式,这与它们的默认解剖结构完全不同。” 他和UVM和Tufts小组的其他科学家在DARPA的“终身学习机器”计划和国家科学基金会的支持下,相信制造异种机器人是迈向破解他所谓的“形态发生学代码”的一小步,更深入地了解生物的整体组织方式-以及它们如何根据其历史和环境来计算和存储信息。

未来的冲击

许多人担心迅速的技术变革和复杂的生物操纵的影响。莱文说:“这种恐惧并非没有道理。” “当我们开始搞一些我们不了解的复杂系统时,我们将得到意想不到的后果。” 许多复杂的系统(例如蚁群)都以一个简单的单位-蚂蚁开始-从中无法预测其菌落的形状或如何通过相互连接的物体在水上架起桥梁。

莱文说:“如果人类要生存到未来,我们就需要更好地了解简单规则如何以某种方式出现复杂的特性。” 他说,许多科学都集中在“控制底层规则。我们还需要了解高层规则”。“如果您想要一个有两个而不是一个的烟囱的蚁丘,您将如何修改这些蚁?我们不知道。”

莱文说:“我认为社会绝对有必要对结果非常复杂的系统进行更好的处理。” “要做到这一点的第一步是探索:生命系统如何决定整体行为应该是什么,以及我们如何操纵碎片来获得我们想要的行为?”

换句话说,“这项研究是对人们所担心的事情的处理的直接贡献,这是意想不到的后果,”莱文说-无论是在自动驾驶汽车的迅速普及中,还是通过改变基因驱动力来消灭整个人病毒谱系,或将越来越多地影响人类体验的许多其他复杂的自治系统。

UVM的乔什·邦加德(Josh Bongard)说:“生活中蕴含着所有与生俱来的创造力。” “我们想更深入地了解这一点-以及我们如何指导和推动它发展新形式。”

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