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21世纪经济报道 2021-11-30 22:00
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数十亿年来，生物体为了延续生命，已经进化出多种繁衍方式。
近日，美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的研究团队发现了一种全新的生物繁殖方式，并利用这一发现创造了有史以来第一个可自我繁殖的活体机器人——Xenobots 3.0，未来或可为外伤、先天缺陷、癌症、衰老等提供更直接、更个性化的药物治疗。研究结果发表在29日《美国国家科学院院刊》上。
去年，该研究团队用非洲爪蟾早期胚胎中的皮肤和心脏细胞组装成一种全新的生命形式，创造出全球首个活体机器人“Xenobots（异种机器人）”。它们可在耗尽能量之前独立移动约一周，同时可自我修复并自然分解。
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非洲爪蟾，图：中国科学院·《生命世界》杂志
今年3月，Xenobots 2.0活体机器人问世，其能够使用像头发一样的纤毛“腿”自行推进，在一个表面上快速移动。此外，它还有记录信息的能力。
此次全新升级的Xenobots 3.0仅有毫米宽度，既不是传统的机器人，也不是一种动物，而是活的、可编程的有机体。
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异形机器人收集细胞，繁衍后代 官方图
那么它们的“自我繁殖”是什么意思？
研究人员发现，如果将足够多的异种机器人放置在培养皿中彼此靠近，它们会聚集并开始将其他漂浮在溶液中的单个干细胞堆叠起来。
于是，多达数百个干细胞在它们如同吃豆人形状的“嘴”中组装了“婴儿”异种机器人。几天后，这些“婴儿”就会变成外观和动作都跟母体一样的新异种机器人。然后这些新的Xenobots可再次出去寻找细胞，并建立自己的“副本”，就这样周而复始，不断复制。
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AI设计的吃豆人形状的“母体”生物（红色），旁边是被压缩成球状的干细胞——“后代”（绿色）。图片来源：道格拉斯·布莱克斯顿和山姆·克雷格曼
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可繁衍四代
人工智能居功至伟
刚开始时，上述复制过程最多持续两轮。论文作者之一山姆·克雷格曼博士所说：“这些机器人可以生孩子，但之后这个复制系统很快就会消亡。要让系统继续复制非常困难”。
瓶颈之中，人工智能“居功至伟”。原本，异形机器人的母体由大约3000个细胞组成，是一个球体，没有办法“系统性地繁殖”。通过佛蒙特大学Deep Green超算集群上的人工智能程序模拟，测试了数十亿种体型，其中包括三角形、正方形、海星的形状等等，目的是为了让异形机器人更有效地进行运动学复制。
“我们利用超算弄清楚了如何调整最初父母亲本的形状。经过几个月努力，AI 想出了一些奇怪的设计，包括一个类似于‘吃豆人'的形状。这种设计相当违反直觉，它看起来很简单，但人类工程师想不出来。”山姆·克雷格曼说。
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克里格曼将这一设计提交给了另一名研究人员道格·布莱里斯顿（Doug Blackiston），最终他设计出了这些吃豆人形状的机器人。“然后这些父母创造孩子，孩子创造孙子，孙子创造重孙.......正确的设计，极大地延长了后代的数量。”
该研究主要作者、美国佛蒙特大学计算机科学和机器人学教授乔什·邦加德说，异种机器人最初是球形的，由大约3000个细胞组成。分子水平上的动力学复制是众所周知的，但以前从未在整个细胞或生物体的水平上观察到过，而此次Xenobots 3.0的复制正是运用了这一机制。
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Xenobots 3.0的设计团队（左起）：乔西·邦加德，佛蒙特大学；迈克尔·莱辛，塔夫茨大学和哈佛大学Wyss研究所；道格拉斯？布莱克斯顿，塔夫茨大学；山姆·克雷格曼，塔夫茨大学和哈佛大学Wyss研究所。图片来源：塔夫茨大学
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全新生命形式！
全球首个活体机器人去年诞生
去年年初，美国佛蒙特大学的研究者使用进化算法研制了一种名为“Xenobot”的生物机器人。它由生物细胞构成，而且可进行编程修改、自由移动，甚至即使被切开也能够自动愈合。
该项惊人研究发表在顶级期刊《美国科学院院报》(PNAS)上，论文通讯作者约书亚·邦加（Joshua Bongard）说：
“它们既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种。这是一种活的、可编程的有机体。”
合著者迈克尔·莱文（Michael Levin）也表示：
“这是全新的生命形式。它们从未在地球上出现过。”
Levin还表示，这些青蛙细胞可以被打造成有趣的新的生物形式，与它们的原有解剖结构完全不同。
这个名叫Xenobot的“异形机器人”，长度不到1毫米，是非洲爪蛙心脏细胞（收缩细胞）和表皮细胞（被动细胞）的结合。
结合的依据是佛蒙特大学的超级计算机集群Deep Green设计出来的模型。研究人员在这个具有20000台笔记本电脑计算能力的集群上演算了一种进化算法。在反复试验当中，用类似自然选择的方式，将性能较差的模型设计剔除。
制作过程：
研究人员先将胚胎细胞切开。
细胞被切开的两个部分，单独进行培养。
而后将二者慢慢进行重建。
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最后，按照超级计算机模拟出来的设计，用镊子和电极对这个重塑的细胞进行“雕琢”。
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通过心脏细胞产生的收缩，Xenobot能在水性介质中移动。
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△已调整为8倍速
以下是Xenobot生物机器人的效果展示：显微镜下正在缓慢移动的 Xenobot。
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Xenobots 能够集体行动（转圈圈）
不同于金属、塑料打造的机器人，Xenobot是完全可生物降解的。并且，它还具有自我修复能力。论文通讯作者介绍：“我们把机器人切成了两半，结果它不仅能把自己缝合起来，其后还能继续活动。”
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上面是一年前Xenobot的诞生过程。而一年之后的今天，这个活体机器人进化到能“生娃”了。
视频：观察者网
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惹伦理争议
网友：毛骨悚然
去年的异形机器人，已经在科学界制造出伦理上的争议。
此番异形机器人学会自我繁衍的消息一出，更是引来舆论界的喧哗，网友纷纷表示受到惊吓，有人担忧异形机器人会突破管制，反噬人类。
“这才是生化危机新篇章”
“本想做食豆人，却做出了食人豆”
“这特么哪里算是机器。。。这tm是生物”
“都可以繁殖了还能叫机器人？以后有思维有繁殖能力再给它增强各项机能，就是个新物种了，小心聪明反被聪明误”
“我一听到他们说这东西被完全控制在实验室里就觉得害怕”
“这不就是生化武器？跟机器人有什么关系”
“好家伙，生化危机9—终结者”
“毛骨悚然啊，我怎么这么害怕呢”
“我去，我真的很尊重科学，但我真的很害怕了”（摘自微博网友评论）
对于舆论争议，邦加德回应说，这些毫米级别的异形机器人目前都在实验室中，很容易被销毁。并且，联邦、州和学术机构的伦理专家已对此审查。
邦加德认为，真正让人担忧的，其实是现实世界。“我们有一种道德责任感去了解，在什么样的情况下我们可以控制它，引导它还是浇灭它。”
他称目前世界面临的新冠疫情，以及环境问题，异形机器人都有能力解决。“我们提出解决方案的速度至关重要。如果我们可以从异形机器人中吸取经验，继续开发技术，那么未来我们可以利用人工智能创造新的生物工具，这将非常有用但也需要很长的时间......比如利用生物机器人从水中提取微塑料或制造新药物。”
此外，研究团队还从异形机器人中看到了再生医学的前景，这是解决创伤损伤、出生缺陷乃至攻克癌症和衰老的方法之一。
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