在前2代的基礎上，佛蒙特大學、塔夫斯大學和哈佛大學的科學家們創造了首個能以一種全新的方式自我繁殖的活體機器人——第三代Xenobots。（視頻來源：Editing by Ian Thomas Jansen-Lonnquist & Cody Silfies； footage by Douglas Blackiston & Sam Kriegman）

這應該是迄今我們見過的最奇特的生命系統了，開始只有2種細胞，後來變成了1種。但它變得更強了，能定向移動、具有延展性和可塑性、能修復損傷、有記憶能力，現在它還能繁殖了，且是以一種前所未有的方式。

撰文 | 李詩源、clefable  

審校 | 王昱

去年1月，美國佛蒙特大學、塔夫斯大學和哈佛大學的4名科學家共同開發首個活體機器人Xenobot。從外面看起來，它只是一個毫米大小的細胞團，但卻相當厲害。它能朝特定的方向移動，具有強大的延展性和可塑性，在被切開後，還能自行復原。

當時，在發表於《美國科學院院刊》的文章中，他們揭示了這個具有“超能力”的細胞團的祕密。Xenobot只由2種細胞構成，分別是由非洲爪蟾的多能幹細胞分化而成的皮膚細胞和心肌細胞，前者負責搭建機器人的外形，後者負責提供運動的動力。

雖然原材料十分簡單，但將細胞組合成一個活體機器人並不容易。首先，科學家利用計算機模擬出成百上千種細胞的組合方式，通過演化算法篩選滿足要求的細胞組合，最終才利用3D打印製造了一類活體機器人Xenobot。它不需要外界供能，能靠細胞內部的能量存活數天，還能和其他Xenobot進行協作。除此之外，一些Xenobot具有類似於甜甜圈的結構，其中間能攜帶藥物分子。

這是一項重大的突破。Xenobot是首個活體機器人，它的出現影響了科學家制造機器人的方式。在Xenobot之前，科學家一直無法成功控制人工生命系統的形狀和運動。Xenobot和非洲爪蟾擁有完全一樣的DNA，並且不屬於動物，而是屬於一個全新的生命體系——定製生命系統（bespoke living system）。

在結構和功能上，它比機械機器人的可塑性更強。但它仍然有很多缺點，比如運動能力較差、沒有記憶能力。但僅1年之後，隨着第二代Xenobot的出爐，這些都發生了改變。這次，科學家沒有去設計Xenobot的外形，而是讓非洲爪蟾的多能幹細胞自組織形成了一個活體機器人。第二代Xenobot的外層細胞能長出纖毛，使其能在不同的環境中移動，且移動速度更快。

除此之外，第二代Xenobot能比第一代多活3~7天，且科學家還首次賦予了它記憶能力。他們在Xenobot的細胞植入了一個會發綠光的熒光蛋白。但如果被波長400納米的光照射，這種熒光蛋白的結構會發生改變，開始發紅光。這是一個簡單的光控開關，Xenobot被照射後能改變發光的顏色，這也顯示它記住了被照射這個信息。當然，這種記憶方式還很簡單，也不同於我們通常認爲的生物的記憶方式，還需要更深入的優化。

更讓人意外的還在後面，近期這4位科學家又聯手製造出第三代的Xenobot，研究論文目前已發表在《美國科學院院刊》上。這次，他們讓Xenobot做到了一件無論是生物還是機器人都還沒用做到的事情——能利用不同於任何生物的繁殖方式來繁殖後代。他們將這種方式稱爲自發運動的自我複製（spontaneous kinematic self-replication），而這也是首次發現在多細胞生命系統中，存在這種繁殖方式。

自我複製、自我繁殖

生物的繁殖方式可分爲無性生殖和有性生殖。但無論是細菌分裂，還是動物通過精子和卵子結合的方式，都有一個共同的特徵，就是需要依賴內部環境。簡單地說，也就是內部積累了足夠的資源後再分裂。例如，1個細菌需要積累完資源才能分裂成2個，而精子和卵子的形成、成熟，以及受精卵的發育也是如此。

相比之下，病毒的繁殖方式比較特殊，它並不依賴自身，而是通過控制外部環境的資源爲自己所用——也就是通過入侵細胞後控制和奪取資源。這種繁殖方式十分類似於科學家對未來的機器人複製方式的暢想。早在70多年前，一些科幻作品就暢想了一種機器能依靠大規模工業生產和自動化技術，來實現自我複製。而這次，最新的Xenobot初步實現了這個暢想，能利用環境中的資源，製造出和自己具有相同功能的子代。

在今年早期，研究人員就發現，胚胎期非洲爪蟾的幹細胞在鹽水中分散後，它們能重新接觸、聚集，外層的細胞還能分化和形成纖毛，形成的活體機器人Xenobot是球形的，大約包含3000個細胞，它能運動起來。

在新的研究中，他們發現在一個培養皿中，如果在多個Xenobot周圍放上鬆散的多能幹細胞。當多個Xenobot一起運動時，會使得周圍的幹細胞聚集起來。這些聚集的幹細胞會黏附在一起，當數量細胞數量達到50個時，它們就能算是一個子代了。5天之後，這個子代能長出纖毛，能游泳且具有自我複製的能力。

在5次獨立的實驗中，這些自組裝的Xenobot有4次能繁殖出一代，在剩下的一次中繁殖出了2代，但第二代的數量和個體大小會小於第一代，有一些甚至由於太小無法稱之爲子代。

第三代

但是，常規球形結構的Xenobot持續繁殖的能力較差，平均只能複製1.2代，最多也只能複製2代左右。在前兩代Xenobot的研究中，研究團隊發現在計算機中進行模擬時，這種有機體的形狀會影響它們的運動能力和聚集行爲。因此，這一次研究團隊想要嘗試改變Xenobot的形狀，以增強Xenobot的持續自我複製能力。在這項複雜的工作中，AI站了出來，幫了科學家大忙。

他們利用佛蒙特大學先進計算中心中的Deep Green超算集羣，使用演化算法，對數十億種不同的形狀進行模擬，這些形狀包括三角形、正方形、金字塔形、海星形和人腦可能難以設計出的形狀。他們希望從中找出最適宜的形狀，使得Xenobot能夠更有效地基於運動學模式來進行復制。

這個模擬程序首先會隨機生成多種不同的形狀，並分別模擬這些形狀的Xenobot在培養基中的行爲。如果某種形狀的Xenobot能夠聚集足夠多的細胞併產生“後代”，那麼程序就會將這些“後代”挑選出來，換到新的模擬培養基上，重複這個過程。

當自我複製的過程停止時，程序還會給相應的Xenobot形狀打分，以反映成功複製的代數。隨後，程序會用高分的形狀替換低分的形狀，繼續模擬。最終，程序會篩選出一批表現最優秀的形狀。研究人員根據模擬結果，在培養基中培養並觀察這些篩選出來的Xenobot。

令他們驚訝的是，在被程序挑選出來且能通過人爲干預獲得的形狀中，表現最好的是一種形似“喫豆人”的Xenobot。這種“喫豆人”形的Xenobot平均能延續3代，比球形Xenobot多了1.5倍，而且其產生的“後代”直徑也比球形Xenobot的後代大50%左右。這種反直覺的設計，讓研究人員表示：在表象之下，生命還潛藏着很多神奇的現象，會表現出驚人的行爲，還有待人類進一步探索。

不必驚慌

對於這樣的發現，可謂是幾家歡喜幾家憂。有些人甚至對此感到恐懼，擔心這種自我複製的生命體未來是否有可能顛覆人類社會。對此，研究人員認爲人們可以不必那麼緊張。論文的通訊作者、佛蒙特大學的喬什·邦加德（Josh Bongard）教授表示，“這些活的‘機器’只有毫米大小，它僅限於實驗室內，可以輕易地被銷燬，也會接受有關機構和專家的審查。” 

他們感興趣的是更深入地理解Xenobot的複製功能。Xenobot保留了非洲爪蟾完整的基因組，但它不具備神經系統，沒有任何形態上或遺傳上的特性能促使其以這種運動的方式來實現自我複製。所以，Xenobot這樣的有機體可以幫助人們理解在各種體系中，這種“自我放大”、自我複製的過程是如何發生的。

雖然經過2年的迭代，但現在的Xenobot還很原始，但從這項研究中，科學家或許可以得到不少啓發。創傷、出生缺陷、癌症、衰老等困擾人類的問題之所以存在，是因爲我們無法預測和控制細胞的羣體行爲。而當科學家更深入地理解像Xenobot這樣的可重構有機體後，我們或許就能更精準地控制細胞的行爲，讓細胞羣體按照我們的需求表現出相應的行爲，促進再生醫學領域的發展。

另外，人類科學家和AI的合作也吸引人的關注。在未來，人腦和電腦的合作或許會變得越來越常見，科學家或可以藉助AI來更高效地進行研究和實現特定的目標，比如指定特定的目標屬性，讓AI幫助人類設計出符合要求的工具，從而縮短人們解決問題的時間。

Xenobot的出現，或許也會更新人們對 “繁殖”這一概念的理解。一直以來，細胞通過內在的生長來實現分裂，似乎是公認的生命“複製”自己的模式。雖然在亞細胞尺度上，生物大分子可能通過裝配的方式來實現複製，但是此前在細胞中並未實現這一點。Xenobot似乎挑戰了這種“成見”，告訴我們：對生命的探索，還遠未結束。

參考鏈接：

https：//www.pnas.org/content/117/4/1853 （第一代Xenobot論文）

https：//www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf1571 （第二代Xenobot論文）

https：//www.pnas.org/content/118/49/e2112672118 （第三代Xenobot論文）

https：//mp.weixin.qq.com/s/Arla-KSqbhcz7dMvRwakoA 

https：//techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html 

本文轉自《環球科學》