【周四早報】全球首個活體機器人誕生：蟾蜍細胞構建，進化算法設計

克隆已經不能讓我們滿足了，人類正在嘗試直接用生物細胞制造出軟體「機器人」，而且還成功了。近日，全球首個活體機器人誕生的新聞讓世人驚艷。

迄今為止，人們創造出的大多數「機器」都是由金屬、塑料、混凝土等材料制造的。但對于很多工作來說，由生物體進行造物或許才是最好的方法。例如，將藥物精準釋放在人體的特定位置而不損傷健康的組織。近日，美國佛蒙特大學的研究者使用進化算法研制了一種名為「Xenobot」的生物機器人。它由生物細胞構成，可進行編程修改、自由移動，即使被切開也能夠自動愈合。

雖然形態還很原始，尺寸也很小，但 Xenobot 已經向我們展示了科幻電影里「生物機器人」該有的所有功能，除了自我復制。據悉，設計可編程器官的代碼已經開源。

用進化算法進行設計

研究者表示，設計這種生物機器人使用了人工智能領域的進化算法。

首先，研究者會定義一個行為目標(如最大化的移動)，并提供兩種構建塊(紅色：可收縮的細胞，以及青藍色：被動細胞)。紅色的構建塊通過生物方式完成活體機器人必要的功能(如移動等)。只有將這兩種細胞通過特定的設計有機結合起來，才能做成一個功能正常的生物機器人。

整個設計機器人的過程是使用進化算法進行控制的。這一進化算法的目標是用來發現各種能夠將兩種構建塊組合起來的方法，使其能夠達到行為目標。這一算法在開始有隨機的樣本量，然后每種設計都會放在虛擬物理環境下進行模型，并自動被打分。表現不好的設計被刪除，由表現更好的設計的隨機改造副本代替。這一過程被重復多次，用于生成性能更好的、各種各樣的設計。

進化算法在佛蒙特大學先進計算中心的 Deep Green 超級計算集群上進行了數月的處理，為新的生命形式創建了數千個候選設計。

當然，虛擬物理環境和目標物理環境有很大的不同，因此這些設計都會經過一個魯棒性過濾器，過濾掉那些在噪聲中不能夠保留要求行為的設計。

保留下來的設計會再經過一個 build 過濾器，這個過濾器會移除那些無法通過現有的方法構建，或者沒有對未來更復雜任務有擴展性的設計。

從干細胞到生物機器人

通過了 build 過濾器的設計會被用于建立活體組織。具體流程如下：

構建 Xenobot 的第一步是：顯微注射受精的非洲爪哇胚胎(直徑 1.15-1.2 毫米)。

第二步：在 14°C 條件下培養 24 小時后，用顯微手術鉗子取出每個胚胎的卵黃膜。

第三步：使用顯微鉗取出每個胚胎的動物帽(animal cap)，然后在離解媒質中培養 10 分鐘。

第四步：將離解內細胞與外細胞分離。

第五步：輕輕攪動剩余組織，以更好地進行離解。

第六步：大量的細胞轉化為瓊脂糖壁(agarose well)，使得細胞再聚合。

第七、八步：重新粘附時細胞集合體逐漸壓縮，然后在 14°C 條件繼續培養兩天。

第九步：使用微燒灼設備調整 Xenobot 的形狀。

最后一步：使用顯微手術鉗確定最后的造型。

最后的產物是一個活體的，和設計在三維結構類似的活體機器人。這種機器人在沒有額外營養的情況下能自我移動，在水狀環境中探索數天到數周時間。

這種設計出來的機器人有什么樣的功能和特性?研究團隊表示，它們能夠自我移動、探索、協作，哪怕被切開也能夠自動愈合。驚人的是，這些生物機器人還展現出了協同能力，如共同繞圈、推動物體移動。

這種生物機器人移動時留下的軌跡一覽。這些簡單的細胞機器人展示出了驚人的復雜行為特性。

一些設計中可以看到，這些機器人是有中空結構的，這意味著他們可以攜帶一些物體(如藥物)到指定區域。

這些生物機器人的特性和功能無疑在醫療、生物學、化學等領域有很高的研究價值和前景。

研究團隊——主要作者有計算機科學背景

Xenobot 的研究登上了最新一期的美國國家科學院期刊 PNAS。制造出首個「活體機器人」的科研團隊，來自美國佛蒙特大學(the University of Vermont)和塔夫斯大學。第一作者 Sam Kriegman 是佛蒙特大學計算機科學院的一名在讀博士，他的導師則是計算機科學院的 Josh Bongard。

佛蒙特大學教授 Josh Bongard。

Xenobot 研究的發布，吸引了眾多科技媒體報道，人們對于這種全新類型的機器議論紛紛：異形的時代快來臨了，我需要害怕了嗎?

這些微小的「機器」或許會在未來成為我們身體的一部分。【責任編輯/鄒琳】

參考鏈接：

博客地址：https://cdorgs.github.io (https://cdorgs.github.io/)

新聞稿：https://www.uvm.edu/uvmnews/news/team-builds-first-living-robots

論文：https://www.pnas.org/content/early/2020/01/07/1910837117

來源：機器之心

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