《科學·機器人》日前發(fā)布的論文中介紹了一種別致的機器人：從胚胎干細胞中培養(yǎng)出來的Xenobot。在人類的控制下，它能夠游動、清掃垃圾、報告路線、穿越空間……

科幻大片《變形金剛》固化了人們對于機器人的印象，似乎只有“大家伙”“鋼鐵之軀”才能稱得上機器人。Xenobot卻完全不同，軟軟的生命體小球，同樣可以跑得很快，在人類發(fā)出指令后，自主完成指定任務(wù)。確切地說，Xenobot不是單個小球，而是由無數(shù)個小機器人組成的集群機器人。科幻作品《云端殺機》中曾描述過集群機器人的設(shè)計理念和威力：通過像蟻群一樣的有機組織，集群機器人能完成令人意想不到的任務(wù)。

集群機器人的思路或許很適合活細胞。論文作者、來自塔夫茨大學的邁克·雷凌(Michael Levin)教授團隊認為：活細胞已經(jīng)有許多傳感器、效應(yīng)器和信號/計算電路，它們固有的生化、生物力學、生物電通信等特性可以被重新利用，以實現(xiàn)新的功能。

如果說傳統(tǒng)機器人是硅基機器人，以生命體單元制造的機器人則可以稱為碳基機器人。小型化、集群化、利用生物本來特性的思路的碳基機器人無疑將迎來一個新的“爆發(fā)點”。

干細胞還有“沒放飛”的能力

在邁克·雷凌看來，細胞的能力并沒有被充分認識和使用。

“人類完全可以創(chuàng)造出一臺完全生物化的機器，而不是依靠人工合成的部件來指定機器人實現(xiàn)某些功能。”邁克在論文中寫到，人們忽略了細胞的一個重要特性：細胞的自組織能力。

此前，很多科學家在細胞上花心思，讓細胞這種生命單元成為機器人的元器件。例如，用骨骼肌或心肌組織創(chuàng)造出微型生物雜交魚，讓它能夠行走和游泳;借助趨光性，讓生物雜交的黃貂魚按照需要行動……但這些設(shè)計方法都基于傳統(tǒng)機器人的思路，即借助一個具象的“器官”，通過合成元件賦予機器人移動的能力。一些具有高硬度的微米薄板、抗斷裂的細絲等人工合成的非生命材料被加入其中進行輔助或支撐。

這就好比細胞本來是“意念超能力者”，能用意念互相傳遞信息，人們非要給它們個大喇叭，讓它們互相“喊話”再協(xié)作。

事實上，細胞間有自己的組織體系是有物質(zhì)基礎(chǔ)的。例如坐落在細胞膜的大量“受體”，它們通過接收聲、光、電、力、化學信號等各種形態(tài)的信號，將外部的情況通知到細胞內(nèi)再做反應(yīng)。

可見，人類世界的局限性限制了人類探索細胞世界的想象力。

邁克團隊決定將這種“超能力”展現(xiàn)出來，他們選擇了爪蟾的胚胎干細胞。顯微注射的方法讓這類細胞“放衛(wèi)星”，這主要得益于科學家對胚胎干細胞“信號圖”的研究比較透徹。比如一堆細胞如何自己就組織形成了一個肝的形狀。

發(fā)育生物學長期以來一直致力于揭示基因、調(diào)控中心在驅(qū)動未分化前體細胞、組織時的級聯(lián)信號。歷史上，胚胎原生系統(tǒng)中已經(jīng)創(chuàng)建了形態(tài)學和分子命運圖。

在前人的研究基礎(chǔ)上，課題組在爪蟾胚胎未分化的外胚層區(qū)域獲取干細胞組織，在一系列培養(yǎng)環(huán)境下，4天后，3100個左右細胞形成的小球成形了，又過了3天，這些直徑0.5毫米左右的小球得以以每秒鐘0.1毫米的速度在溶液中游動。

發(fā)動生命“原力”，碳基機器人萌發(fā)中

這樣的小球之所以被定義為機器人，原因在于它能執(zhí)行指令，自主工作。

為了讓機器人工作，研究者花費了大量的精力。就像前面提到的，以往研究通過借助肌肉細胞、神經(jīng)細胞、甚至非生命構(gòu)造“搭建”碳基機器人，讓它們動起來。

而這項研究表明并不需要神經(jīng)細胞和肌肉細胞，就能造出一個會工作的機器人。研究者們用一種神經(jīng)元的標記試驗來尋找可能存在于Xenobot中的神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)它們的運作里沒有神經(jīng)細胞的信號。

動力系統(tǒng)則使用了纖毛。基于對纖毛產(chǎn)生的機理機制的掌握，研究者發(fā)現(xiàn)一種被稱為Notch受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(NotchICD)與纖毛產(chǎn)生的多少有關(guān)，進而能夠控制Xenobot的多纖毛細胞的密度。

有了纖毛，Xenobot就像有了馬達帶動的螺旋槳。把它們放在均勻鋪滿氧化鐵顆粒的培養(yǎng)皿中，它們能夠一起掃過培養(yǎng)皿表面，迅速收集大量氧化鐵顆粒，進行清理垃圾的工作。研究團隊相信，隨著進一步的開發(fā)，這種新型生命機器甚至可以用于清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。

可見，科學家們正在尋找一條對生命的“原力”善加利用、制造簡易碳基機器人的可行道路。當然，這樣的機器人能力還只處于初級。

還有這些優(yōu)點，讓人拍手稱快

Xenobot生產(chǎn)簡單的優(yōu)勢使其在現(xiàn)實中的應(yīng)用門檻大大降低。

無需能源支持、能夠自行解體、記錄行駛路線、破“壁”出入自如……論文中Xenobot的這些優(yōu)點，令人拍手稱快。

“Xenobot不需要外部食物來源，它們代謝的是早期胚胎爪蟾組織中存在的母體原本的卵黃。”論文中寫道，它們在壽命終止時，會自行脫落并退化，最終實現(xiàn)組織解體。

通過向非洲爪蟾胚胎細胞中注入編碼熒光蛋白的mRNA，研究團隊還實現(xiàn)了報告功能，通過Xenobot內(nèi)置的熒光開關(guān)，記錄它們的路徑。研究團隊表示，可以利用這種分子記憶來檢測放射性污染物、化學污染物等情況。

Xenobot同樣被研究團隊驗證可以順利的穿過很長的毛細血管。“我們在論文中報告了使用非洲爪蟾動物細胞來生成能夠在各種環(huán)境中移動的‘自動游泳機’。”論文中這樣描述。

《云端殺機》中描述了一場驚心動魄的對恐怖組織頭目的刺殺行動，由千萬級別的簡易飛機機群以蜂擁而至、出奇制勝、火速撤退的步驟成功完成。

試想，如果擁有Xenobot的這些優(yōu)點，這些簡易飛機將無需自帶電源、無需搭載自爆裝置、信號機也無需攜帶定位裝置、而且可以到達指定目的地。

與此同時，論文研究者認為，生物機器人中的細胞還可以吸收和分解化學物質(zhì)，發(fā)揮微型工廠的作用。通過計算機模擬，可以為它們設(shè)計更復(fù)雜的行為，讓它們執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

生物機器人：實際應(yīng)用條件尚不完備

答疑專家：葉海峰(華東師范大學醫(yī)學合成生物學研究中心執(zhí)行主任、國家重點研發(fā)計劃項目首席科學家)

Q：用干細胞生產(chǎn)機器人，可行嗎?

A：通過對干細胞進行干擾、重編程，使其產(chǎn)生全新的生物學功能，獲得機器人是完全可行的。如2018年就有研究者通過基因改造間充質(zhì)干細胞，使得其細胞表面表達可以調(diào)控的受體蛋白，從而使得生物機器人的部分部件可以受控制地結(jié)合和解離。

但是目前生物機器人距離實際應(yīng)用還有很遠的距離。這一方法仍然面臨一些問題，包括該論文初步解決的如何使其進行自組裝，如何保證細胞機器人具有運動能力以及通過合理的設(shè)計，使其產(chǎn)生更為復(fù)雜的生物學功能，如清除體內(nèi)“毒素”，檢測細胞癌變并發(fā)出信號等。

總之，生物機器人應(yīng)用于生物醫(yī)學或環(huán)境監(jiān)測還需要走很長的路。該文章中闡述的生物機器人的運動是不受控制的，所以這些機器人到底運動到了哪里，能不能到達預(yù)期的地點也是個問題。

Q：論文中的一些成果來自計算機模擬，計算機模擬在研究中起到什么作用?

A：該論文之所以用計算機模擬細胞的運動，是因為納米機器人在微環(huán)境中的運動方式和宏觀世界中有很大區(qū)別。同時該機器人的形狀，以及細胞的數(shù)量等對機器人在特定液體環(huán)境中的運動都有很大影響，所以會用計算機模擬每種機器人的形狀或者細胞數(shù)量等變量在不同的組合方式下，該機器人會以什么樣的方式運動。有了這些計算機的模擬基礎(chǔ)，研究人員才可以更好地設(shè)計編程機器人。

在實驗前，利用計算機模擬細胞行動極大地降低研究人員的工作量，并為研究人員提供了可行性高的設(shè)計方案。合成生物學在研究前并不是都需要模擬，但要根據(jù)已有的生物學知識，進行合理的組裝、設(shè)計并預(yù)測其可能的行為。計算機模擬能按照我們預(yù)期的方向提供科學的方案。

(張佳星)