世界首个活体机器人诞生

中国目前最先进机器人（首个活体机器人诞生）

第一个活体机器人诞生(目前国内最先进的机器人)

知止(微信官方账号:zhidxcom)

编译|曲王淼

编辑|蒋新柏

据外媒Tech Xplore报道，来自美国塔夫茨大学和佛蒙特大学(UVM)的RD团队已经成功开发出第二代微型生物机器人“Xenobots”，该机器人也是基于非洲爪蟾细胞。

但与第一代相比，第二代异种机器人不仅可以实现单细胞的独立组合，而且移动速度更快，信息读写功能和自愈能力大大增强。

目前，最新的研究成果已经发表在美国时间3月31日的《科学机器人学》杂志上，题目是《合成生命体发展的细胞平台》。

论文链接:
https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571

早在去年1月，该团队发布的世界上第一个活体机器人Xenobots就登上了顶级期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)的封面。这项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、塑料等人造材料来制造机器人。

一、通过青蛙胚胎干细胞分化构建生物体

从细胞构建来看，第一代异种机器人采用了“自上而下”的构建方式。通过人工重组青蛙皮肤和心脏细胞，心脏细胞在底部收缩，实现机器人的运动。

相比之下，第二代异种机器人是通过“自下而上”的方法构建的，其中一个单细胞形成自己的有机体。塔夫茨大学的生物学家使用非洲青蛙异种机器人的胚胎干细胞来生长和繁殖。几天后，一些干细胞分化形成纤毛。这些移动和旋转的纤毛充当了第二代异种机器人的“腿”，使其能够在没有肌肉细胞的情况下快速移动。

由于结构升级，第二代异种机器人的移动速度更快，使用寿命更长，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’，而这只青蛙的基因组完全正常。”塔夫茨大学著名生物学教授迈克尔·莱文说。“在正常的青蛙胚胎中，细胞增殖并分化形成蝌蚪。现在我们看到细胞可以重新分化形成纤毛实现运动功能。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，而无需漫长的进化选择。”

“在某种程度上，第二代异种机器人类似于传统机器人的结构。我们只是使用细胞和组织而不是人工组件来构建形状和创建可预测的行为。”资深科学家道格·布莱克斯顿说。“从生物学上讲，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影响。”

二、新型的Xenobots或可用于收集微粒

这个由计算机科学家和机器人专家乔希·邦加德(Josh Bongard)领导的团队，通过先进计算核心的深绿超级计算机集群，在数十万种随机环境条件下运行进化算法，以测试不同形状的异种机器人，单独或成群是否会表现出不同的行为，并区分哪些异种机器人群体最适合在粒子场中协同工作，并收集大量片段。

结果表明，与第一代异种机器人相比，第二代异种机器人在垃圾收集和其他任务方面表现更好。一方面，第二代异种机器人可以分组清扫培养皿，收集大量氧化铁颗粒；另一方面，它们可以在大平面上工作，或者通过狭窄的毛细管。

而且，他们的研究表明，未来的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。

“虽然目前第二代异种机器人的任务非常简单，但我们的最终目标是开发一种新的生活工具，让它们能够做更多实际有用的工作，比如清理海洋中的微塑料或土壤污染物。”邦加德说。

三、通过荧光报告蛋白构建读写功能

机器人技术的一个最大特点就是可以记录信息，并根据这些信息控制机器人的行为。

在这方面，研究小组通过一种名为EosFP的荧光报告蛋白记录信息，这种蛋白通常发出绿光，但在波长为390nm的光照射下会发出红光，从而将第二代异种机器人设计为具有读写能力的机器人。

具体来说，研究人员将编码EosFP蛋白的信使RNA注入青蛙胚胎细胞，分离出干细胞，形成第二代异种机器人。形成的异种机器人将内置荧光开关，可以记录波长约为390纳米的蓝光照射。

在实际测试中，研究人员让10个第二代异种机器人在一个表面上游泳，同时，表面有一个光点被波长为390纳米的光束照亮。两个小时后，三个机器人发出红光，而其他机器人保持绿色。这说明这段“旅途记忆”被有效地记录了下来。

研究人员认为，这种分子记忆原理未来可能被用于检测和记录光污染、放射性污染、化学污染、药物或疾病。与此同时，研究人员对Xenobots的记录系统给出了不同的优化路径，例如让机器人记录多个刺激(需要添加更多的信息位)，在刺激下释放化合物，或者根据对不同刺激的感受改变行为。

“当我们赋予机器人更多能力时，我们可以使用计算机模拟来设计更复杂的行为，并让它们执行更复杂的任务。”Bongard表示，他们设计的机器人不仅可以报告其环境的状况，还可以修改和修复其环境的状况。

四、生物材料愈合代谢能力强，5分钟自愈严重撕裂伤

“我们希望将许多生物材料的特性应用于机器人，例如使用细胞形成传感器、电机、通信和计算网络以及信息存储设备。”莱文说。

在莱文看来，自愈是生物的自然特征，这是传统的金属或塑料机器人很难做到的。但是第二代异种机器人和未来的生物机器人可以随着细胞的生长和成熟来建造自己的身体，并在受损时进行自我修复。

据了解，第二代异种机器人的愈合能力很强，它们可以在5分钟内愈合严重的裂伤。伤口几乎是他们身体厚度的一半。在实际测试中，所有受伤的机器人都能恢复如初，继续工作。

不仅如此，第二代异种机器人还可以代谢。与金属或塑料机器人不同，第二代异种机器人的细胞可以吸收和分解化学物质，并像小型工厂一样合成和排放化学物质和蛋白质。

与此同时，过去主要研究单细胞生物的合成生物学已经能够研究这些多细胞生物，或者对它们进行重新编程，以产生有用的分子。

与第一代异种机器人类似，第二代异种机器人可以在胚胎期依靠能量储备存活10天，在没有额外能量的情况下执行任务。有了持续的能量供应，它们可以全速运转几个月。

结语：生物技术与机器人技术互惠，前景可期

生活机器人的RD技术正在不断经历突破，未来这一领域的发展将与生物技术密切相关。

正如迈克尔·莱文(Michael Levin)在TED演讲中提到的，第二代异种机器人在执行任务或医疗方面具有巨大的潜力，这项研究的价值在于利用机器人研究来了解个体细胞如何聚集、交流和创造有机体。这是一个新的模型系统，也许可以基于这个系统进行一些再生医学的研究。

认识到这项技术的前景，塔夫茨大学和佛蒙特大学成立了计算机设计生物学研究所(ICDO)，将在未来几个月正式启动。该研究所将汇集大学和外部资源，创造更先进和更强大的生物机器人。

在未来的研究中，第二代异种机器人和高等生物机器人可能会从生物领域获得更多的灵感。

来源:科技探索