活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

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所屬分類:科技
摘要

Xenobots四處移動時,研究人員可以觀察其獨特的結構與行為之間的對應關係,包括細胞的排列方式和「肉團」的整體形狀等等。據國外媒體報導,在進化算法的幫助下,科學家用非洲爪蟾的皮膚細胞和心臟細胞造出了一種新型「活體機器人」,將其命名為xenobots(爪蟾拉丁名「Xenopus laevis」和機器人「robots」兩個詞的結合)。

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

Xenobots四處移動時,研究人員可以觀察其獨特的結構與行為之間的對應關係,包括細胞的排列方式和「肉團」的整體形狀等等。據國外媒體報導,在進化算法的幫助下,科學家用非洲爪蟾的皮膚細胞和心臟細胞造出了一種新型「活體機器人」,將其命名為xenobots(爪蟾拉丁名「Xenopus laevis」和機器人「robots」兩個詞的結合)。

 

北京時間1月15日消息,據國外媒體報導,在進化算法的幫助下,科學家用非洲爪蟾的皮膚細胞和心臟細胞造出了一種新型「活體機器人」,將其命名為xenobots(爪蟾拉丁名「Xenopus laevis」和機器人「robots」兩個詞的結合)。在顯微鏡下,這些小小的「肉團」在液體中忙個不停,時而向前,時而往後,時而轉圈圈。只要往其中滴入一些細胞碎屑,它們就會將碎屑聚攏成一堆。如果在某個小「肉團」的背上輕彈一下,它就會立即躺倒,像只四腳朝天的烏龜。

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

圖為xenobots從一些顆粒物中穿過時留下的痕跡。這些由細胞構成的簡單機器人可以表現出十分複雜的行為。

它們的行為令人聯想起追逐獵物的扁蟲和水熊蟲。水熊蟲體型雖小,卻五臟俱全,能完成一系列複雜行為,但這些xenobots與水熊蟲並不是一回事,畢竟它只包含兩種成分:爪蟾的皮膚細胞和心臟細胞。

研究人員希望這種由收縮細胞和被動細胞構成的新型生物體、以及它們的奇特行為可以幫助科學家揭開細胞交流之謎。

此次研究的共同作者、塔夫茨大學發展生物物理學家麥克·萊文指出,細胞之間的合作方式向來是「一大謎團」。「我們最感興趣的是,細胞究竟是如何通過合作、組成特定功能結構的。」一旦弄清了這一點,他們也許還能更進一步、發掘更多細胞的神秘潛能。

在細胞本身、以及一些高級算法的「幫助」下,萊文和同事們開始共同設計xenobots。他們先從爪蟾胚胎中提取了幹細胞,然後使幹細胞分化成能夠自然收縮的心臟細胞和無法自然收縮的皮膚細胞。接著,他們利用細胞天生容易與其它細胞結合的特性,在顯微鏡下將這兩種成分結合在一起。最後的成品形狀各異,有些像楔子,有些像拱門。在本文附帶的動圖中,上方的藍綠色方塊代表被動細胞,下方時紅時綠的方塊則代表主動收縮細胞。

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

上方為計算機設計的機器人,下方為對應的xenobots。

Xenobots四處移動時,研究人員可以觀察其獨特的結構與行為之間的對應關係,包括細胞的排列方式和「肉團」的整體形狀等等。他們將這些信息發給了一支由計算機科學家組成的團隊,後者據此搭建了一個虛擬模型,供數字版本的xenobots在其中活動。接著,這些科學家運用了類似於自然選擇過程的進化算法,觀察xenobots的結構對它們的生存有何影響。這套系統嘗試以多種方法操縱xenobots的設計,看看這些新設計會如何影響它們的功能。在模擬中能出色完成特定任務的xenobots會被定義為自然選擇中的「適者」,可以與其它表現出色的同類進行交配,生成「進化版」的新一代xenobots。

在此基礎上,萊文和同事們試著將這些數字設計變成現實。失敗的作品棄之不理,成功的作品則被發送給剛才提到的計算機科學家,讓他們根據實驗室人員了解到的信息進一步調整模擬系統。

這些沒有大腦的「肉團」的行為非常詭異。「它們會時不時地改變自己的運動方式。」萊文指出。如果遇上了其它單獨存在的細胞,它們便會將這些細胞驅趕、聚攏到一處。假如將一個xenobot切開,它還可以自動愈合,就像電影《終結者2》中的T-1000一樣。兩個xenobot可能會與對方結合,如同一對「神仙眷侶」。如果xenobot中間有個洞,甚至還能拾起其它物體、帶著它四處移動。

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

活體機器人誕生!用青蛙幹細胞,進化演算法設計多種形式的 Xenobots

進化算法設計出了多種形式的xenobots。

萊文和同事們想弄清的是,xenobot的細胞(或者說所有細胞)是如何互相交流、產生各種複雜行為的。「最重要的是,我們還想知道如何控制細胞之間的交流。」xenobot是一種獨一無二的生物體,它既是由活細胞組成的生物,又是一台可被研究人員編輯、表現出特定行為的機器。實驗中使用的爪蟾細胞本身並不特殊,它們共同表現出的行為才是最令人震驚之處。

接下來,我們可以重新思考一下未來機器人的發展方向。目前的類人型機器人通常由一系列笨重的零件構成,最後組成一個可以四處行走、操作物體的整體。但人體遠比這智能得多,細胞之間可以相互交流、構成組織,組織構成器官,器官構成整個人體。「我們很想把此次研究得到的信息應用到工程學和人工智能領域。」

但這條路必將道阻且長。「用活體組織構建機器人與‘軟機器人’領域面臨著許多相同的挑戰。」奧斯陸大學的進化機器人專家托恩斯·尼高(Tønnes Nygaard)指出。現實世界十分混亂嘈雜,任何機器人都難以適應,更別提用活細胞造出的機器人了。但這類進化技術的優勢在於,機器人能像真正的生物一樣學會適應環境,盡管仍要由人類提供指導。

所以,讓我們對「機器-生物混合體」—— xenobots表示熱烈歡迎吧,祝它們在這世上一帆風順。(葉子)

 

>首個活體機器人誕生 科學家用青蛙幹細胞造活體機器人

 

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