可自我復制的機器人

磊楓望

不同于傳統機器人，也不是已知的某種動物物種，Xenobot是一種新型的、具有生命的、可編程的“生物”。

大家印象中的機器人是不是還停留在銅頭鐵額的機械體，或者是由鋼筋混凝土、粗重木頭制成的龐然大物？

全球首個可自我復制的活體機器人顛覆了人們對于機器人的刻板印象。這是由來自佛蒙特大學、塔夫茨大學以及哈佛大學Wyss研究所的科學家們發現的一種全新生物繁殖形式，創造了有史以來第一個可以自我復制的活體機器人。目前，這項研究成果已于2021年11月29日發表在《美國國家科學院院刊》上。

可以自我復制的Xenobot

2020年，學者們依靠進化算法，利用青蛙的表皮細胞和心肌細胞造出了全球首批活體機器人，并將其命名為Xenobot。

不同于傳統機器人，也不是已知的某種動物物種，Xenobot是一種新型的、具有生命的、可編程的“生物”。而且，它可以自主移動，即使被切開也能夠自動愈合。

該團隊發現，這些由計算機設計和手工組裝的生物體能夠游到它們的小盤子里，找到數百個單細胞并將其聚在一起，然后在一個“吃豆人”形狀的“嘴巴”中組裝出下一代Xenobot。

幾天后，下一代Xenobot就會變成外觀、行動都與“父輩”一樣的新一代Xenobot。這些新的Xenobot還會繼續出去尋找細胞，建立自己的副本，循環往復，生生不息……

Xenobot本身是由數千個非洲爪蟾的胚胎細胞組成的一個細胞團。如果是正常的繁衍過程，這些胚胎細胞最終會發育成蝌蚪的不同部分。來自美國佛蒙特大學和塔夫茨大學的團隊，將原始胚胎細胞切割出不同部分，并按照計算機模擬出的結構進行重建，人為“生產”出了這種新的生命體。

這些由計算機設計出來的細胞集合結構雖然擁有青蛙的基因組，但它們卻沒有選擇成為蝌蚪，而是以一種看上去像是集體智慧的舉動，進行自我復制。已經發育成熟的細胞群處在零散胚胎細胞中時，會自發地把這些離散細胞堆在一起。如果這個細胞團足夠大，這些細胞群就能發育成會游泳、帶纖毛的后代。只是，這個過程的不確定性較大。溫度范圍、胚胎細胞的密集度、成熟細胞群的數量和隨機行為、溶液的黏度、培養皿的幾何形狀表面以及污染等，都會影響復制過程。

所以初代Xenobot的自我復制，最多只能持續兩輪。如何擴大復制輪次？這時人工智能（AI）算法就派上用場了。

AI擴大復制輪次

能夠自我復制的Xenobot最初是由在佛蒙特大學超級計算機上運行的AI程序構思出來的。研究者運行了一種能夠在模擬中測試數十億種生物體型的進化算法，目標是發現哪種細胞配置能夠實現自我復制。

最終，AI發現了一個成功的設計：一組形狀像1980年代街機游戲《吃豆人》中形象的細胞。在“吃豆人”形狀下，Xenobot的自我復制系統壽命，由最多2代增加到了4代。

參與該研究的塔夫茨大學科學家道格拉斯·布萊金斯頓（Douglas Blackiston）拿著AI給出的設計，使用微型電烙鐵和手術鉗，手工雕刻出Xenobot母體。它由3000個青蛙細胞組成。神奇的是，它可以在培養皿中游走。

隨后，添加到培養皿中的青蛙細胞為Xenobot母體提供了原材料，它們用這些材料在“吃豆人”形狀的“嘴巴”中造出新的Xenobot。幾天后，新Xenobot又成長為新的Xenobot母體。通過不斷往培養皿中添加青蛙細胞原料，這種自我復制過程可以一代又一代地繼續下去。

在非洲爪蟾生物體中，這些胚胎細胞會發育成蝌蚪的皮膚，以阻擋病原體并重新分配黏液。研究團隊將這些細胞置于一個新的環境中，讓它們有機會重新構建自身的多細胞性。

“在過去的很長一段時間，人類一直認為已經找到了生命繁殖或復制的所有方式，但這個方式是以前從未觀察到的。”道格拉斯·布萊金斯頓表示。

由大約3000個細胞組成的Xenobot母體自身會形成一個球體。這些球體可以繁殖，但之后系統通常會消亡。實際上，讓系統持續繁殖是非常困難的，但借助在超級計算機集群上運行的AI程序，進化算法能夠在模擬環境中測試數十億種體型，比如三角形、正方形、金字塔形、海星形，用來找到在基于運動學的復制中更有效的細胞。

“我們發現生物體或生命系統內存在一個此前未知的空間，這是一個廣闊的空間。”佛蒙特大學工程與數學科學學院教授喬什·邦加德（Josh Bongard）說，“我們如何去探索那個空間？我們發現了會行走的Xenobot、會游泳的 Xenobot，甚至發現了可以自我復制的Xenobot，今后還會有什么驚喜？”

或許正如科學家們在《美國國家科學院院刊》研究中所寫的那樣：生命在表象下隱藏著更多驚人的秘密，等待被發現。

下一步目標

與其他已知的生物繁殖形式相比，基于運動學的自我復制能夠讓下一代的形態實現擴大和縮小。這表明，生物體或許能夠學會自動設計，以產生不同大小、形狀和有用行為的后代，而不僅僅是數量意義上的自我復制。“我們正在努力了解復制這個特性。世界和技術正在迅速變化，對于整個社會來說，研究和了解它的運作原理和方式非常重要。”喬什·邦加德說。

因此，團隊的下一步目標是加快人們從認識問題到給出解決方案的轉變速度，比如利用活體機器人把塑料微粒從下水道中清理出來，甚至可以利用它制造新的藥物。

研究團隊看到了活體機器人朝著再生醫學發展的前景。該研究指出由于Xenobot機器人無毒和壽命有限的特性，它可以被當作智能藥物輸送或內部手術的新型載體。如果具備表達信號通路、酶促蛋白和相應的受體等，它還可以尋找并消化有毒或無用的產物。在生物醫學領域，設想由患者細胞制成這樣的生物機器人，可以從動脈壁清除斑塊、識別癌癥、區分或控制疾病發生的位置。即使在沒有特定代謝工程的情況下，它的壽命也是有限制的。

塔夫茨大學艾倫探索中心主任邁克·列文（Michael Levin）教授解釋道：“如果我們掌握了讓細胞集合做我們想讓它們做的事，這將會為再生醫學創造歷史，比如為創傷性損傷、出生缺陷、癌癥和衰老提供解決方案。”

除本項研究外，這種方法是否能夠普及還未可知。但機器學習、軟體模擬和生物打印等領域的飛速發展很可能會拓寬其未來的潛在應用范圍。計算機技術和生物領域的結合已經勢在必行。

整個研究成果無疑將會為生物和醫學帶來巨大的推動作用。然而有些人給出了不同的解讀，他們對可自我復制的生物技術感到擔憂，甚至是恐懼——人造生命、集體智慧、自我復制這些技術會讓人類走向失控，并自我毀滅嗎？

要回答這個問題，首先要明確Xenobot是否智能。道格拉斯·布萊金斯頓表示，新的可復制生命體實質上是可編程生物，人工智能只出現在整個研究過程的設計和編程階段，并不在Xenobot中。“我的觀點是它并不智能。”道格拉斯·布萊金斯頓說。但他也認同，這項工作確實挑戰了人類此前對生物體的科學定義。

對于這項研究，仁者見仁，智者見智。不必太糾結于目前僅有的研究成果，畢竟歷史已證明，科技發展從長遠來看，終究還是造福人類的。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）