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体育外围:全球首个活体机器人诞生:可编程,会自愈,由超级计算机设计

作者:体育外围官网 发布日期:2020-11-02 浏览次数:31542

科学家们建构了世界上第一个由青蛙干细胞分解的有生命的治愈机器人。当地时间 1 月 13 日,美国佛蒙特大学(University of Vermont)在其官网上公布新闻稿,声称佛蒙特大学与塔夫茨大学(Tufts University)的研究团队联合积极开展研究,利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮肤细胞和心脏细胞,建构出有了首个活体机器人“xenobots”(异种机器人)。这项研究已公开发表在 1 月 13 日的世界顶级学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

【 图片来源:University of Vermont 所有者:University of Vermont 】(公众号:)了解到,xenobots 以非洲爪蛙的名字“Xenopus laevis”命名,将近 1 毫米长的 xenobots 可以向目标移动,也可拿起物体(比如必须载运到患者体内特定方位的药物),伤势后还可治愈伤口。佛蒙特大学计算机科学家、机器人专家 Joshua Bongard 是这项研究的牵头负责人,他回应:它们既不是传统的机器人,也不是未知的一种动物物种。这是一种新的人工制品——一种活的、可编程的有机体。

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xenobots 由佛蒙特大学的超级计算机设计,然后由塔夫茨大学的生物学家装配和测试。塔夫茨大学再造与发育生物学中心主任 Michael Levin 说道:不难想象,这些机器人有很多其他机器做到将近的应用于,比如找寻危害化合物或放射性污染物、在海洋中搜集微塑料、在动脉中穿越,清理牙菌斑等等。“自定义”的生命系统众所周知,最少自农业经常出现以来,人类就仍然在为自身利益操控生物,基因编辑也更加广泛。过去几年里,人类早已通过仿效其他动物的体型,生产出有了一些人造生物,但研究小组回应,这是有史以来第一次“几乎从头开始设计的生物机器”。

大体上,xenobots 的建构过程有两步。第一步,利用佛蒙特大学的佛蒙特高级计算出来核心(Vermont Advanced Computing Core)的 Deep Green 超级计算机集群,研究团队(还包括第一作者和博士生 Sam Kriegman)用了几个月的时间,用演化算法为这一新的生命形式设计了上千个设计。为已完成任务(比如朝一个方向移动),计算机不会一遍四起将几百个仿真细胞重新组合成无数的形式或身体形状。

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随着程序的运营——由关于单个青蛙皮肤和心脏细胞能做到什么的生物物理学基本规则驱动——更加顺利的仿真生物被留存、优化,而告终的则被舍弃。在对算法展开 100 次独立国家运营之后,科学家投票决定了最失望的设计,用作下一步研究。

【 图片来源:University of Vermont 所有者:University of Vermont 】第二步,Michael Levin 率领的塔夫茨大学团队和显微外科医生 Douglas Blackiston 要做到的就是关键一步——将电脑设计变为现实。他们再行从非洲蛙种非洲爪蟾的胚胎中搜集干细胞,将其分离出来成单个细胞并孵育,然后用小镊子和更加小的电极,将细胞切割成并在显微镜下相连,使其十分相似于计算机登录的设计。这样,这些细胞被装配出了自然界从未见过的形体,随后它们之后开始一起工作了。经过上述一番操作者,皮肤细胞构成了一个更为被动的结构,而心肌细胞原本无序的膨胀则在电脑设计的指导下,在自的组织模式的协助下,产生有序的向前运动,这也就是机器人构建自行移动的关键。

当然,在研究过程中,难免会有一些意想不到的结果,但有时这些结果也促使了新的找到。研究者们注意到,这些可重组的有机体需要以一种连贯的方式移动,并且在胚胎能量储存的驱动下,用数天甚至数周时间探寻它们的水环境,但是反过来的时候却告终了,就像甲虫翻跟头一样。后来,试验指出,成群的 xenobots 不会绕着圈移动,并集体自发性地把一个小球引到中心方位。

其他 xenobots 则在中间挖出一个洞,从而增加阻力。而在仿真过程中,科学家们找到把这个洞作为一个袋子,它们能顺利地装载物体。佛蒙特大学计算机科学与简单系统中心教授 Josh Bongard 回应:这是电脑设计的生物向智能药物运送领域迈进的一步。

“有生命”的技术我们告诉,许多机器、硬件产品等都是由钢、混凝土或塑料等材质做成的,这固然有其道理(比如质量有确保),但有时也难免会导致生态和人类身体健康问题——比如日益严重的海洋塑料污染。相比之下,Josh Bongard 回应:xenobots 有自我再造修缮机制,而且当它们暂停工作、丧生时,一般来说也会对外界环境带给毁坏,它们是几乎可生物降解的。七天后当它们已完成工作时,它们就只是杀皮细胞。【 图片来源:University of Vermont 录:图为Josh Bongard 】另外,笔记本电脑固然强劲,但要是把它摔成两半,有可能就无法工作了。

但科学家们把 xenobots 小块两半后,找到它们可以治愈,然后继续前进,这是传统的机器无法做的。密码密码同时,研究者也回应,他们对细胞交流、相连潜力的研究,早已了解到对计算出来科学和对生命的解读中。

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Michael Levin 说道:当前一个最重要的问题乃是解读要求形式和功能的算法。基因组需要编码蛋白质,但硬件如何让细胞在各种有所不同的条件下合作,从而展开功能性解剖学,这还等着我们去找到。

同时,为了使有机体发展并起起到,有机计算出来仍然在有机体的细胞内和细胞间展开,而某种程度是在神经元内。这些几何特性是通过生物电学、生物化学和生物力学过程构成的,正如 Michael Levin 所说:这些过程在 DNA 登录的硬件上运营,是可重新配置的,也使得新的生命形式沦为有可能。

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如今,许多人担忧技术的飞速发展和更加简单的生物操作者不会带给负面影响。回应,Michael Levin 回应:这种不安不是没道理,当我们开始摆弄连我们自己都不解读的简单系统时,结果有可能很难想象。

如果人类要在未来存活下去,就必须更佳地解读简单的性质是以何某种方式从非常简单的规则中产生的。大部分科学都集中于在掌控“低级规则”上,我们还必须理解“高级规则”。Michael Levin 指出,这项研究对于解决问题人们心中的不安有积极意义,这也是研究团队的一项车祸进账。

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