揭秘“活体”机器人

◆本刊综合

数十亿年来，地球上的生物为延续生命，已进化出多种繁殖方式。组装机器人、3D打印机器人等已不足为奇，但能“繁殖”的机器人你听说过吗？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，他们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。

图1 Xenobots 3.0的设计团队（图/美国塔夫茨大学 供）

Xenobots的发展史

Xenobots 3.0外观酷似电子游戏中的“吃豆人”，能一边“吃掉”其他细胞，一边实现自我复制。从诞生至今，Xenobots经历了从1.0到3.0的升级进化，实现了从简单行走到自我发育繁殖的转变。

2020年1月，研究团队用非洲爪蟾早期胚胎中的细胞，创造出全球首个活体机器人——Xenobots。从基因组织上来看，活体机器人由100%青蛙的DNA组成，但它们并非青蛙，而是一款机器人。这种“活体机器人”拥有两条“短腿”，能依靠自主力量朝目标移动，即便被损坏也能自行复制和修复，耗尽能量前能独立移动约一周时间。若将机器人切成两半，它在自行缝合后也能继续活动。

2021年3月，Xenobots 2.0活体机器人问世，其外层细胞能长出纤毛，可在不同环境中移动且速度更快，存活时间较第一代增加了3～7天。此外，科学家在Xenobots的细胞内植入了一个可发出绿光的荧光蛋白，在被波长400纳米的光照射后，荧光蛋白的结构开始变为红光。这是一个简单的光控开关，Xenobots被照射后能改变发光颜色，表明活体机器人具备记忆能力。

图2 左为计算机所建模型，右为由非洲爪蟾皮肤细胞（绿色）和心肌细胞（红色）构建的活体机器人（图/佛蒙特大学 供）

此次全新升级的Xenobots 3.0既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种，而是一种活的、可编程的有机体。如果将足够多的异种机器人放置在培养皿中，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如同“吃豆人”形状的“嘴”中，组装成“婴儿”异种机器人。几天后，这些“婴儿”就会变成外观和动作跟母体一样的新异种机器人。这些新的Xenobots会再次寻找细胞建立自己的“副本”，这样周而复始，不断复制。

图3 科学家用计算机设计出的多款活体机器人形态（图/佛蒙特大学）

为了让异种机器人在此类复制中更有效，研究人员利用人工智能技术测试了数十亿种体型，其中形似“吃豆人”的Xenobots平均能延续3代，比球形Xenobots高出1.5倍，产生的“后代”直径较球形Xenobots后代大50%左右。

前所未有的繁殖方式

生物的繁殖方式可分为无性生殖和有性生殖。无论是细胞分裂还是动物通过精子和卵子结合的方式，都需要其内部积累了足够资源后再分裂。例如，1个细胞需要完成资源积累才能分裂成2个，而精子和卵子的形成、成熟，以及受精卵的发育也是如此。

相比之下，病毒的繁殖方式并不依赖自身，而是通过入侵细胞后控制和夺取资源。这种方式与科学家对未来机器人复制方式的畅想较为符合。最新的Xenobots初步实现了这个想法，科学家将这种繁殖方式称为自发运动的自我复制，这也是首次在多细胞生命系统中发现的繁殖方式。活体机器人产生新个体的过程并非繁殖的过程，而是复制的过程。

图4 母体旋转着一个大的干细胞球，它正在成长为一个新的“异型机器人”（图/CNN报道配图）

繁殖意味着存在生长过程。但是，活体机器人Xenobots并没有产生一个需要通过外界能源和物质滋养、成长的未成熟个体，而是将其他的干细胞聚拢在一起，形成自己的复制品。

会对人类社会构成威胁吗

答案是否定的。

Xenobots细胞可以在室温下存活，在没有任何外部食物储备的情况下，最多能存活10～14天。如果没有为这个系统提供丰富的青蛙干细胞来源，系统就会崩溃，并于14天后分解。所以，失去外界帮助，这种细胞是无法繁殖的。而且，这些机器人完全被限制在实验室中，可进行生物降解。

研究者指出，Xenobots自我繁殖现象在某种程度上是短暂的，自我复制只能持续1～2代，不能无限繁殖。尽管目前人们把Xenobots称为“活体”

未来能否为人类所用

机器人，不过，它究竟是一种机器，还是一种全新形态的生物体，还存在一些争议。

这种“活体”机器人介于生物和机器之间，在行为模式上与已有的机器人类似。

现阶段，研究者们在实验室里造出的“活体”机器人并没有离开实验室在自然界独立生存的能力，这意味着，自然界中不存在让活体机器人实现自我复制的条件。短时间内，它很难对生物圈乃至人类社会产生威胁。

人类通过深入了解类似Xenobots可重构有机体有助于更精准地控制细胞行为。研究人员表示，这种分子生物学和人工智能的结合，可能被用于人体医学和地球环境中的多种任务——包括降解海洋中的微塑料颗粒、根系检查和再生医学等，唯一需要解决的是找到预测和控制Xenobots的方法。

未来，人类可以通过编程让它们清除水体中的微塑料，将靶向药物运送到患者体内，以及助力疫苗研发等。“活体”机器人或许还可为外伤、先天缺陷、癌症、衰老等提供更直接、更个性化的治疗，这些目标“未来可期”，但现阶段的研究成果距临床应用还有很长的路要走。