磊枫望

不同于传统机器人，也不是已知的某种动物物种，Xenobot是一种新型的、具有生命的、可编程的“生物”。

大家印象中的机器人是不是还停留在铜头铁额的机械体，或者是由钢筋混凝土、粗重木头制成的庞然大物？

全球首个可自我复制的活体机器人颠覆了人们对于机器人的刻板印象。这是由来自佛蒙特大学、塔夫茨大学以及哈佛大学Wyss研究所的科学家们发现的一种全新生物繁殖形式，创造了有史以来第一个可以自我复制的活体机器人。目前，这项研究成果已于2021年11月29日发表在《美国国家科学院院刊》上。

可以自我复制的Xenobot

2020年，学者们依靠进化算法，利用青蛙的表皮细胞和心肌细胞造出了全球首批活体机器人，并将其命名为Xenobot。

不同于传统机器人，也不是已知的某种动物物种，Xenobot是一种新型的、具有生命的、可编程的“生物”。而且，它可以自主移动，即使被切开也能够自动愈合。

该团队发现，这些由计算机设计和手工组装的生物体能够游到它们的小盘子里，找到数百个单细胞并将其聚在一起，然后在一个“吃豆人”形状的“嘴巴”中组装出下一代Xenobot。

几天后，下一代Xenobot就会变成外观、行动都与“父辈”一样的新一代Xenobot。这些新的Xenobot还会继续出去寻找细胞，建立自己的副本，循环往复，生生不息……

Xenobot本身是由数千个非洲爪蟾的胚胎细胞组成的一个细胞团。如果是正常的繁衍过程，这些胚胎细胞最终会发育成蝌蚪的不同部分。来自美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的团队，将原始胚胎细胞切割出不同部分，并按照计算机模拟出的结构进行重建，人为“生产”出了这种新的生命体。

这些由计算机设计出来的细胞集合结构虽然拥有青蛙的基因组，但它们却没有选择成为蝌蚪，而是以一种看上去像是集体智慧的举动，进行自我复制。已经发育成熟的细胞群处在零散胚胎细胞中时，会自发地把这些离散细胞堆在一起。如果这个细胞团足够大，这些细胞群就能发育成会游泳、带纤毛的后代。只是，这个过程的不确定性较大。温度范围、胚胎细胞的密集度、成熟细胞群的数量和随机行为、溶液的黏度、培养皿的几何形状表面以及污染等，都会影响复制过程。

所以初代Xenobot的自我復制，最多只能持续两轮。如何扩大复制轮次？这时人工智能（AI）算法就派上用场了。

AI扩大复制轮次

能够自我复制的Xenobot最初是由在佛蒙特大学超级计算机上运行的AI程序构思出来的。研究者运行了一种能够在模拟中测试数十亿种生物体型的进化算法，目标是发现哪种细胞配置能够实现自我复制。

最终，AI发现了一个成功的设计：一组形状像1980年代街机游戏《吃豆人》中形象的细胞。在“吃豆人”形状下，Xenobot的自我复制系统寿命，由最多2代增加到了4代。

参与该研究的塔夫茨大学科学家道格拉斯·布莱金斯顿（Douglas Blackiston）拿着AI给出的设计，使用微型电烙铁和手术钳，手工雕刻出Xenobot母体。它由3000个青蛙细胞组成。神奇的是，它可以在培养皿中游走。

随后，添加到培养皿中的青蛙细胞为Xenobot母体提供了原材料，它们用这些材料在“吃豆人”形状的“嘴巴”中造出新的Xenobot。几天后，新Xenobot又成长为新的Xenobot母体。通过不断往培养皿中添加青蛙细胞原料，这种自我复制过程可以一代又一代地继续下去。

在非洲爪蟾生物体中，这些胚胎细胞会发育成蝌蚪的皮肤，以阻挡病原体并重新分配黏液。研究团队将这些细胞置于一个新的环境中，让它们有机会重新构建自身的多细胞性。

“在过去的很长一段时间，人类一直认为已经找到了生命繁殖或复制的所有方式，但这个方式是以前从未观察到的。”道格拉斯·布莱金斯顿表示。

由大约3000个细胞组成的Xenobot母体自身会形成一个球体。这些球体可以繁殖，但之后系统通常会消亡。实际上，让系统持续繁殖是非常困难的，但借助在超级计算机集群上运行的AI程序，进化算法能够在模拟环境中测试数十亿种体型，比如三角形、正方形、金字塔形、海星形，用来找到在基于运动学的复制中更有效的细胞。

“我们发现生物体或生命系统内存在一个此前未知的空间，这是一个广阔的空间。”佛蒙特大学工程与数学科学学院教授乔什·邦加德（Josh Bongard）说，“我们如何去探索那个空间？我们发现了会行走的Xenobot、会游泳的 Xenobot，甚至发现了可以自我复制的Xenobot，今后还会有什么惊喜？”

或许正如科学家们在《美国国家科学院院刊》研究中所写的那样：生命在表象下隐藏着更多惊人的秘密，等待被发现。

下一步目标

与其他已知的生物繁殖形式相比，基于运动学的自我复制能够让下一代的形态实现扩大和缩小。这表明，生物体或许能够学会自动设计，以产生不同大小、形状和有用行为的后代，而不仅仅是数量意义上的自我复制。“我们正在努力了解复制这个特性。世界和技术正在迅速变化，对于整个社会来说，研究和了解它的运作原理和方式非常重要。”乔什·邦加德说。

因此，团队的下一步目标是加快人们从认识问题到给出解决方案的转变速度，比如利用活体机器人把塑料微粒从下水道中清理出来，甚至可以利用它制造新的药物。

研究团队看到了活体机器人朝着再生医学发展的前景。该研究指出由于Xenobot机器人无毒和寿命有限的特性，它可以被当作智能药物输送或内部手术的新型载体。如果具备表达信号通路、酶促蛋白和相应的受体等，它还可以寻找并消化有毒或无用的产物。在生物医学领域，设想由患者细胞制成这样的生物机器人，可以从动脉壁清除斑块、识别癌症、区分或控制疾病发生的位置。即使在没有特定代谢工程的情况下，它的寿命也是有限制的。

塔夫茨大学艾伦探索中心主任迈克·列文（Michael Levin）教授解释道：“如果我们掌握了让细胞集合做我们想让它们做的事，这将会为再生医学创造历史，比如为创伤性损伤、出生缺陷、癌症和衰老提供解决方案。”

除本项研究外，这种方法是否能够普及还未可知。但机器学习、软体模拟和生物打印等领域的飞速发展很可能会拓宽其未来的潜在应用范围。计算机技术和生物领域的结合已经势在必行。

整个研究成果无疑将会为生物和医学带来巨大的推动作用。然而有些人给出了不同的解读，他们对可自我复制的生物技术感到担忧，甚至是恐惧——人造生命、集体智慧、自我复制这些技术会让人类走向失控，并自我毁灭吗？

要回答这个问题，首先要明确Xenobot是否智能。道格拉斯·布莱金斯顿表示，新的可复制生命体实质上是可编程生物，人工智能只出现在整个研究过程的设计和编程阶段，并不在Xenobot中。“我的观点是它并不智能。”道格拉斯·布莱金斯顿说。但他也认同，这项工作确实挑战了人类此前对生物体的科学定义。

对于这项研究，仁者见仁，智者见智。不必太纠结于目前仅有的研究成果，毕竟历史已证明，科技发展从长远来看，终究还是造福人类的。

（编辑 宦菁 huanjing0511@sohu.com）