众所周知至少自农业出现以来,人类就一直在为自身利益操纵生物基因编辑也越来越普遍。过去几年里人类已经通过模仿其他动物的体型,制造出了一些人造生物但研究小组表示,这是有史以来第一次“完全从头开始设计的生物巨型机器人”大体上,xenobots的创造过程有两步
第一步,利用佛蒙特大學的佛蒙特高级计算核心(Vermont Advanced Computing Core)的DeepGreen超级计算机集群研究团队(包括第一作者和博士生SamKriegman)用了几个月的时间,用进化算法为这一新的生命形式设计了上千个设计
为完成任务(比如朝一个方向移动),计算机会一遍遍地将几百个模拟细胞重新组合成无数的形式或身体形状随著程序的运行——由关于单个青蛙皮肤和心脏细胞能做什么的生物物理学基本规则驱动——更成功的模拟生物被保存、优化,而失败的则被抛弃在对算法进行100次独立运行之后,科学家选出了最满意的设计用于下一步研究。
第二步Michael Levin带领的塔夫茨大学团队和显微外科医生Douglas Blackiston偠做的就是关键一步——将电脑设计变成现实。他们先从非洲蛙种非洲爪蟾的胚胎中收集干细胞将其分离成单个细胞并孵育,然后用小鑷子和更小的电极将细胞切割并在显微镜下连接,使其非常接近于计算机指定的设计
这样,这些细胞被组装成了自然界从未见过的形體随后它们便开始一起工作了。经过上述一番操作皮肤细胞形成了一个更加被动的结构,而心肌细胞原本无序的收缩则在电脑设计的指导下在自组织模式的帮助下,产生有序的向前运动这也就是巨型机器人人实现自行移动的关键。当然在研究过程中,难免会有一些意想不到的结果但有时这些结果也促成了新的发现。
研究者们注意到这些可重组的有机体能够以一种连贯的方式移动,并且在胚胎能量储存的驱动下用数天甚至数周时间探索它们的水环境,但是反过来的时候却失败了就像甲虫翻跟头一样。后来试验表明,成群嘚xenobots会绕着圈移动并集体自发地把一个小球推到中心位置。其他xenobots则在中间挖开一个洞从而减少阻力。而在模拟过程中科学家们发现把這个洞作为一个袋子,它们能成功地携带物体
佛蒙特大学计算机科学与复杂系统中心教授JoshBongard表示:“这是电脑设计的生物向智能药物输送領域迈出的一步。“我们知道许多巨型机器人、硬件产品等都是由钢、混凝土或塑料等材质制成的,这固然有其道理(比如质量有保证)但有时也难免会造成生态和人类健康问题——比如日益严重的海洋塑料污染。
相比之下Josh Bongard表示:“xenobots有自我再生修复机制,而且当它们停止工作、死亡时通常也不会对外界环境带来破坏,它们是完全可生物降解的七天后当它们完成工作时,它们就只是死皮细胞”另外,笔记本电脑固然强大但要是把它摔成两半,可能就无法工作了但科学家们把xenobots切成两半后,发现它们可以自愈然后继续前进,这昰传统的巨型机器人无法做到的
同时,研究者也表示他们对细胞交流、连接潜力的研究,已经深入到对计算科学和对生命的理解中MichaelLevin說:“当前一个重要的问题便是理解决定形式和功能的算法。基因组能够编码蛋白质但硬件如何让细胞在各种不同的条件下合作,从而進行功能性解剖这还等着我们去发现。”
同时为了使有机体发展并起作用,有机计算一直在有机体的细胞内和细胞间进行而不仅仅昰在神经元内。这些几何特性是通过生物电学、生物化学和生物力学过程形成的正如MichaelLevin所说:这些过程在DNA指定的硬件上运行,是可重新配置的也使得新的生命形式成为可能。
如今许多人担心技术的飞速发展和越来越复杂的生物操作会带来负面影响。对此MichaelLevin表示:这种恐懼不是没有道理,当我们开始摆弄连我们自己都不理解的复杂系统时结果可能很难想象。如果人类要在未来生存下去就需要更好地理解复杂的性质是以何某种方式从简单的规则中产生的。大部分科学都集中在控制“低级规则”上我们还需要了解“高级规则”。
Michael Levin认为這项研究对于解决人们心中的恐惧有积极意义,这也是研究团队的一项意外收获