进化机器人技术！PNAS利用青蛙活细胞制成生物机器人

　　

一组研究人员报告称通过从青蛙胚胎中提取的细胞，塑造新的生物，这种生物在不完全有机体和不完全机械的结构中发挥独特的功能。这一有趣的成果公布在1月13日的PNAS上。

文章作者，佛蒙特大学Joshua Bongard表示：“它既不是传统的机器人、也不是已知的动物物种，而是一类全新的人工制品、一种活的可编程生物”。

进化机器人技术（Evolutionary robotics）是一种新策略，一些科学家用来探索有关生物系统功能的问题，而另一些科学家则用来设计和测试可能的机器人结构的能力。Bongard是佛蒙特大学研究进化机器人技术的合著者和计算机科学家，他的团队与塔夫茨大学发育生物学家Michael Levin合作，开始利用Bongard的算法创建的几种简单的基于细胞的机器人设计。

研究人员设计并制造了可以在培养皿底部移动的异种机器人。他们还设计了可以操纵和运输其他物体的结构。当几个设计放在一起时，它们开始表现出“集体行为”，例如彼此绕行或暂时绑定。

Levin说：“这只是冰山一角。” “这样做的目的不是要制造青蛙细胞机器人。最终目的是要了解有关基因组与解剖结构之间关系，推动再生医学，机器人技术和人工智能的发展。”

Bongard的设计仅是理论上的，但令他惊讶的是，Levin实验室的显微外科专家Douglas Blackiston采纳了其中一项计划，利用青蛙胚胎细胞建造了出来。

Bongard说，直到那时，“我们还没有意识到他们能够真正采用计算机设计的蓝图并在现实中构建设计。这确实改变了项目的重点。”

现在问题变成了：“通常会产生青蛙的细胞，它们还能构建什么？”

研究人员首先通过程序生成一堆由两个构件组成的随机形状——来自青蛙胚胎的心脏细胞和皮肤细胞。

然后，它会执行自己的自然选择版本，并开始在仿真中测试设计，查看哪些设计最能完成所需的任务。无效的将被删除。最有效的设计会在不同的环境中进行进一步的仿真，从而使算法能够选择最可靠的版本，这些版本可以在多种环境中保持所需的功能并承受随机噪声。

接下来，Levin小组从青蛙胚胎中提取细胞，让它们“成堆”生长，最终将它们塑造成算法所建立的形状，就像雕刻家在建造雕像一样，只是这个雕像是由活细胞而不是石头制成的。

Levin认为，将来这种结构可以用来制造自我修复的机器，就像组织受损时一样。这些机器可以在海洋中收集微塑料（不会因在盐水中降解而增加自身的污染），改善药物输送或创造全新的疾病治疗方法。

除了这些实际应用外，发育生物学家也许还能对这些结构能教我们如何组织细胞中获得新知。

尽管如此，这项工作仍处于初期阶段。新墨西哥大学的计算机科学家David Ackley（未参与这项研究）说：“这是出色的概念验证，证明了‘软机器人’人工进化可以指导功能生物学的设计。”

（生物通：万纹）

原文标题：

S. Kriegman et al., “A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms,” PNAS, doi:10.1073/pnas.1910837117, 2020.