团队构建第一个生活的机器人

这本书是用木头做的。但它不是一个树。死去的细胞重新改造为另一个服务的需要。

现在,一组科学家已经从蛙类生活cells-scraped胚胎和组装成全新的生命形式。这些毫米宽“xenobots”可以朝着一个目标,也许接负载(如医学需要进行一个特定的地点在一个病人),治愈后被削减。

约书亚说:“这些都是小说生活机器,邦加德,一个计算机科学家和佛蒙特大学的机器人技术专家共同开辟了新领域。“他们传统的机器人和一个已知物种的动物。它的一个新类工件:生活,可编程的生物。”

新设计一台超级计算机在生物UVM-and然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试。“我们可以想象许多有用的应用程序,这些生活机器人其他机器不能做,”的负责人迈克尔·莱文领头人说再生和发育生物学中心塔夫茨,“像寻找严重的化合物或放射性污染,收集海洋中的塑料微粒,旅行在动脉斑块刮出来。”

定制的生命系统

人操纵生物为人类利益至少从农业时代的开端,基因编辑变得普遍,和一些人工生物被手动组装在过去几years-copying身体形式已知的动物。

但这项研究,有史以来第一次,“设计完全从头生物机器,”团队在他们的新研究中写道。

几个月的处理时间深绿色的超级计算机集群UVM的佛蒙特州先进的计算核心,团队,其中包括作者和博士生山姆Kriegman-used进化算法设计出成千上万的候选人的新的生命形式。试图实现一个任务由一个纵波的计算机科学家们喜欢运动,一遍又一遍,重新组装几百模拟细胞成无数的形式和身体的形状。作为项目ran-driven生物物理学的基本规则单一青蛙皮肤和心肌细胞可以买单——更成功模拟生物保持和改进,而失败的设计被否定。一百年之后的独立运行算法,选择最有前途的设计进行测试。

团队在塔夫茨,莱文和关键工作microsurgeon道格拉斯Blackiston-transferred硅设计到生活中。首先他们收集干细胞,胚胎的收获非洲青蛙,物种非洲爪蟾蜍光滑的。(因此得名“xenobots”)。这些分离成单个细胞和孵化。然后,用小镊子和一个甚至更小的电极,细胞在显微镜下,加入切成近似的设计指定的电脑。

组装成身体从未见过的形式,细胞开始一起工作。皮肤细胞形成一个更被动的架构,而意外的心肌细胞的收缩把创建工作有序的前进运动指导的计算机的设计,和自发的自组织patterns-allowing机器人的协助下自行采取行动。

这些可重构生物被证明可以在一个连贯的可能,探索他们的水环境数天或数周,由胚胎能源存储。翻了个身,然而,他们失败了,像甲虫背上翻转。

后来测试表明xenobots组在圈子里,将球推入一个中央location-spontaneously和集体。别人还建有一个洞通过中心减少阻力。在模拟版本的这些,科学家们能够重新利用这个孔袋,成功地把一个对象。“这是一个一步使用藉著生物智能药物输送,”邦加德说,UVM教授计算机科学和复杂系统中心。

生活的技术

许多技术是由钢铁、混凝土或塑料。可以让他们强或灵活。但他们也可以创建生态和人类健康问题,像塑料污染日益增长的祸害在海洋和许多合成材料的毒性和电子产品。“活组织的缺点是它脆弱的降解,”邦加德说。“这就是为什么我们使用钢。但生物再生自己45亿年的实践,进行了几十年。”And when they stop working—death—they usually fall apart harmlessly. "These xenobots are fully biodegradable," say Bongard, "when they're done with their job after seven days, they're just dead skin cells."

你的笔记本电脑是一个强大的技术。但尝试削减一半。不工作。在新的实验中,科学家们把xenobots看发生了什么事。“我们切片机器人近一半,这针本身备份和继续,“邦加德说。“这是你不能与典型的机器。”

破解代码

莱文和邦加德都表示他们的潜力已经了解细胞如何沟通和连接扩展深入计算科学和我们对生活的理解。“生物学中最大的问题是理解算法,确定形式和功能,”莱文说。“基因组编码的蛋白质,但改变应用程序等待我们的发现的硬件使细胞向合作使功能在不同条件下构造。”

使有机体发展和功能,有很多信息共享和cooperation-organic computation-going和细胞之间,不仅在神经元。这些紧急和几何属性是由生物、生物化学、生物力学过程,“DNA-specified硬件上运行,”莱文说,“和这些过程是可重构,使小说生活形式。”

科学家们看到他们的新研究中给出的工作作为一个步骤在代码应用见解关于这个生物生物学和计算机科学。“实际上决定了解剖学对细胞合作?”Levin asks. "You look at the cells we've been building our xenobots with, and, genomically, they're frogs. It's 100% frog DNA—but these are not frogs. Then you ask, well, what else are these cells capable of building?"

“我们已经证明,这些青蛙细胞可以诱导有趣的生活形式,是完全不同于他们的默认解剖学,”莱文说。他和其他科学家UVM和塔夫茨团队来自美国国防部高级研究计划局的支持终身学习机器项目和建设的国家科学Foundation-believe xenobots开裂是一个小的一步他所谓的“形态形成的代码,提供了一个更深的了解整个生物体的组织和方式如何计算和存储信息根据他们的历史和环境。

未来的冲击

许多人担心快速的技术变革的影响和复杂的生物处理。“不是不合理的恐惧,”莱文说。“当我们开始混乱和复杂的系统,我们不明白,我们会得到意想不到的后果。”A lot of complex systems, like an ant colony, begin with a simple unit—an ant—from which it would be impossible to predict the shape of their colony or how they can build bridges over water with their interlinked bodies.

“如果人类未来生存,我们需要更好地理解复杂的属性,不知何故,摆脱简单的规则,”莱文说。科学是专注于“控制低级规则。我们还需要理解高级规则,”他说。“如果你想要一个和两个烟囱,而不是一个人群密集的地方,如何修改蚂蚁?我们也不知道。”

“我认为这是绝对必要的社会期待得到一个更好的处理结果是非常复杂的系统,”莱文说。“这样做是探索的第一步:生命系统如何决定什么是整体行为应该和我们如何操作得到我们想要的行为?”

换句话说,“这项研究直接贡献对付什么人都害怕,这是意想不到的后果,”莱文表示是否在自动驾驶汽车的迅速到来,改变基因驱动消灭整个血统的病毒,或许多其他复杂和自治系统,将越来越多地塑造人类的经历。

“所有这些天生的创造力在生活中,“UVM的乔希·邦加德说。“我们想要知道更多,我们如何直接和推动它走向新形式。”

参考

Kriegman等。(2020)可伸缩管道设计可重构生物。PNAS。DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117

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