科学家创造出下一代生活机器人

  去年,塔夫茨大学和佛蒙特大学(UVM)的一个由生物学家和计算机科学家组成的团队利用称为“ Xenobots”的青蛙细胞创造了新颖的微型自我修复生物机器,它们可以四处走动,推动有效载荷,甚至表现出集体大量其他Xenobot的存在下的行为。

  为Xenobots 2.0做好准备。

  现在,同一团队已经创造出了生命形式,可以通过单个细胞自我组装身体,不需要肌肉细胞移动,甚至还可以显示可记录的记忆能力。与第一版相比,新一代Xenobots的移动速度更快,在不同的环境中导航并具有更长的使用寿命,而且它们仍具有分组合作的能力,并在受到损坏时能够自愈。这项新研究的结果今天发表在《科学机器人》杂志上

科学家创造出下一代生活机器人

  与Xenobots 1.0相比,在Xenobots 1.0中,通过手动放置组织以及对青蛙皮肤和心脏细胞进行手术塑形,以“自上而下”的方式构造了毫米大小的自动机为了产生运动,Xenobots的下一版本采用了“自下而上”的方法。塔夫茨大学的生物学家从非洲青蛙Xenopus laevis(因此得名“ Xenobots”)的胚胎中提取了干细胞,并使其自组装成球形,几天后其中一些细胞分化产生纤毛。像头发一样的突出物,可以以特定的方式来回移动或旋转。纤毛不是使用人工雕刻的心脏细胞,它们的自然节律收缩使原始的Xenobots在周围爬行,纤毛赋予了新的球形机器人“腿”以使其在表面上快速移动。对于青蛙或人类而言,通常会在粘液表面(例如肺部)中发现纤毛,以帮助驱除病原体和其他异物。在Xenobots上,

  杰出生物学教授Michael Levin表示:“我们正在见证细胞集合体的显着可塑性,尽管它们具有完全正常的基因组,却建立了一个基本的新'体',与它们的默认物(在这种情况下为青蛙)截然不同。”和塔夫茨大学艾伦发现中心主任,以及该研究的通讯作者。“在青蛙胚胎中,细胞协同合作,形成了.。在此背景下,我们看到细胞可以将其遗传编码的硬件(例如纤毛)重新用于运动等新功能。令人惊奇的是,细胞可以自发地运转承担新角色并创建新的身体计划和行为,而无需为这些功能进行长时间的选择。”

  “从某种意义上说,Xenobots的构造非常类似于传统的机器人。只有我们使用细胞和组织,而不是人工部件来构建形状并创造可预测的行为。” 资深科学家道格·布莱克斯特顿(Doug Blackiston)说,他是第一位与研究技术员艾玛·莱德勒(Emma Lederer)共同撰写这项研究的。“在生物学方面,这种方法正在帮助我们了解细胞在发育过程中如何相互作用,以及如何更好地控制这些相互作用。”

  塔夫茨大学的科学家创造了物理生物,而UVM的科学家则忙于运行计算机模拟,它们对异种机器人的不同形状进行建模,以查看它们是否可能表现出不同的行为,无论是单独还是成组的。该团队在计算机科学家和机器人专家Josh Bongard的带领下,在UVM的佛蒙特州高级计算核心中使用深绿色超级计算机集群,并在数十万个随机环境条件下使用进化算法。这些模拟被用来识别Xenobots,它们最有可能在群体中协同工作,以在粒子场中收集大堆碎片。

  “我们知道这项任务,但对人们来说,这并不完全是显而易见的,成功的设计应该是什么样子。这就是超级计算机出现的地方,它搜索所有可能的Xenobot群的空间以找到最能发挥作用的群, ”邦加德说。“我们希望Xenobots做有用的工作。现在,我们正在给他们简单的任务,但最终我们的目标是寻找一种新型的生活工具,例如,可以清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。”

  事实证明,新的Xenobots在垃圾收集等任务上比去年的模型更快,更好,它们可以成群结队地扫过陪替氏培养皿并收集更大的氧化铁颗粒堆。它们还可以覆盖较大的平坦表面或穿过狭窄的毛细管。这些研究还表明,计算机模拟可以在将来优化生物机器人的其他功能,以实现更复杂的行为。Xenobot升级中添加的一项重要功能是能够记录信息。

  现在有了记忆

  机器人技术的主要特征是能够记录内存并使用该信息来修改机器人的动作和行为。考虑到这一点,塔夫茨大学的科学家设计了一种具有读写功能的Xenobot,以使用称为EosFP的荧光报告蛋白来记录一点信息,该蛋白通常会发出绿色光。但是,当暴露在390nm波长的光下时,该蛋白质会发出红光。

  在切除干细胞以创建Xenobots之前,向青蛙胚胎的细胞注射编码EosFP蛋白的信使RNA。现在,成熟的Xenobots具有内置的荧光开关,可以记录在390nm左右的蓝光下的曝光。

  研究人员通过让10个Xenobots在390nm光束照射一个点的表面周围游泳来测试记忆功能。两个小时后,他们发现三个机器人发出了红光。其余的保持原始绿色,有效记录了机器人的“旅行经历”。

  分子记忆原理的这种证明将来可以扩展到不仅检测和记录光,而且还可以检测和记录放射性污染,化学污染物,药物或疾病状况的存在。记忆功能的进一步设计可以实现记录多个刺激(更多信息位)或使机器人在刺激时释放化合物或改变行为。

  “当我们为机器人带来更多功能时,我们可以使用计算机模拟来设计具有更复杂行为和执行更多复杂任务的能力,” Bongard说。“我们可以潜在地设计它们,不仅可以报告其环境中的状况,还可以修改和修复其环境中的状况。”

  Xenobot,治愈自己

  莱文说:“我们正在使用的生物材料具有我们有一天希望在机器人中实现的许多功能-细胞可以像传感器,用于运动,通信和计算网络的电动机以及用于存储信息的记录设备一样发挥作用。” “ Xenobot机器人和未来版本的生物bot可以做到的一件事是,它们的金属和塑料对手很难做到的是,随着细胞的生长和成熟,建立自己的身体计划,然后在它们受损时进行自我修复和恢复。生物的特征,并且在Xenobot生物学中得以保留。”

  新的Xenobots非常擅长治愈,可以在受伤5分钟之内关闭一半厚度的严重全长撕裂伤。所有受伤的机器人都能够最终治愈伤口,恢复形状并像往常一样继续工作。

  莱文补充说,生物机器人的另一个优势是新陈代谢。与金属和塑料机器人不同,生物机器人中的细胞可以吸收和分解化学物质,并像合成和排出化学物质和蛋白质的小工厂一样工作。合成生物学的整个领域(主要集中在对单细胞生物进行重新编程以产生有用的分子)现在可以在这些多细胞生物中得到利用。

  像原始的Xenobot机器人一样,升级后的bot可以在其​​胚胎能量存储库中生存长达10天,并且无需额外的能源即可运行任务,但是如果将其保存在营养“汤”中,它们也可以全速运行数月。

  科学家真正追求的是什么

  Michael Levin(go.ted.com/michaellevin)在TED演讲中对生物机器人及其从中学习的内容进行了有趣的描述(链接将于2021年3月31日美国东部时间下午2点上线)。

  Levin教授在他的TED演讲中,不仅描述了微型生物机器人在环境或治疗应用中执行有用任务的巨大潜力,而且还指出了使用该机器人可能是这项研究中最有价值的好处。了解单个细胞如何聚集,交流并专门创建更大的有机体,就像它们在自然界中创造出的青蛙或人类一样。这是一个新的模型系统,可以为再生医学提供基础。

  Xenobots及其继任者还可以提供有关古老的单细胞生物如何产生多细胞生物的信息,以及生物生物中信息处理,决策和认知的起源。

  塔夫茨大学和佛蒙特大学认识到这项技术的巨大前景,已建立了计算机设计生物研究所(ICDO),该研究所将在未来几个月内正式启动,它将汇集每所大学和外部资源的资源,以创造生活具有日益复杂的功能的机器人。

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