据外媒 Tech Xplore 报道,来自美国塔弗茨大学(Tufts University)和佛蒙特大学(University of Vermont,UVM)的研发团队成功开发了第二代微型生物机器人 “Xenobots”,同样基于非洲爪蟾细胞构建。
但与第一代相比,第二代 Xenobots 不仅能实现单细胞的自主组合,它的移速还更快,信息读写功能和自愈能力也大大增强。
目前,这一最新研究成果已于美国时间 3 月 31 日发表在《科学 · 机器人学(Science Robotics)》期刊上,论文题目为《一个用于开发合成生命机器的细胞平台(A cellular platform for the development of synthetic living machines)》。
论文链接:
https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571早在去年 1 月,该团队发布的全球首个活体机器人 Xenobots 就已登上顶级期刊《美国科学院院报(PNAS)》封面,该研究提出并实现了用计算机设计生物体的概念,用生物材料代替金属、塑料等人工材料来构建机器人。
一、通过青蛙胚胎干细胞分化构建生物体从细胞构建上看,第一代 Xenobots 采用了 “自上而下”的构造方式,通过手工重组青蛙皮肤和心脏细胞,使心脏细胞在底层收缩来实现机器人的移动。
相比之下,第二代 Xenobots 则采用 “自下而上”的方法进行构造,由单个的细胞自主形成生物体。塔夫茨大学生物学家用非洲的一种青蛙——非洲爪蟾(Xenopus laevis,这也是 Xenobots 名字的由来)的胚胎干细胞进行生长和增殖,几天后一些干细胞就分化形成了纤毛。这些能移动、旋转的纤毛充当了第二代 Xenobots 的 “腿”,使它无需肌肉细胞就能快速移动。
由于构造升级,第二代 Xenobots 的移速更快,寿命更长,也能更好地适应各种环境。
“我们见证了细胞组织非凡的可塑性——它们违背常识,构建了一个新的青蛙‘身体’,并且这只青蛙的基因组完全正常。” 塔夫茨大学著名生物学教授 Michael Levin 说。“在正常的青蛙胚胎中,细胞增殖分化形成蝌蚪。而现在我们看到细胞可以重新分化,形成纤毛来实现运动功能。令人惊讶的是,细胞可以自发承担新的角色,创造新的身体和行为,而不需要长时间的进化选择。”
“在某种程度上,第二代 Xenobots 与传统机器人的构造很相似,我们只是用细胞和组织来代替人造组件,以构建形状和创造可预测的行为。”资深科学家 Doug Blackiston 说。“在生物学上,这种方法更好地解释了细胞在发育过程中如何相互作用,以及我们如何更好地控制这些作用。”
二、新型的 Xenobots 或可用于收集微粒这个团队由计算机科学家和机器人专家 Josh Bongard 领导,通过先进计算核的 Deep Green 超级计算机集群,在数十万随机环境条件下运行进化算法,以测试不同形状、单独或群体的 Xenobots 是否会表现出不同的行为,并分辨哪些 Xenobots 群体最适合在粒子场中共同工作,收集大量碎片。
结果表明,与第一代 Xenobots 相比,第二代 Xenobots 在完成垃圾收集等任务的表现更好。一方面,第二代 Xenobots 能成群结队地扫过培养皿,收集大堆的氧化铁微粒;另一方面,它们既可以在大型平面上工作,也可以穿过狭窄的毛细血管。
不仅如此,他们的研究表明,未来硅模拟可以优化生物机器人的附加功能,以生成更复杂的行为。
“尽管目前第二代 Xenobots 的任务都很简单,但我们的最终目标是开发一种新型的生活工具,让它们做更多实际有用的工作,例如清理海洋中的微塑料或土壤污染物。”Bongard 说。