科技新闻鹅知道 深度揭秘人类首个机器人:复杂程度被自然生命完

科技新闻 2020-01-27195未知admin

  近日据报道,全球首个用细胞做成的机器人,已经诞生了。这是一种由生物细胞组成的可编程机器人,可自主。它不是新,不同于现有的器官或生物体,却是活的生物体。

  科学家将非洲爪蟾的皮肤细胞和心肌细胞组装成了全新的生命体,这些毫米级的异种机器人可以定向,还可以在遇到同类的时候 “搭伙” 合并。它们还可以被定制成各种造型,如四足机器人,如带有 “口袋” 的机器人。科技新闻

  对于这个机器人,外媒《连线》则用四个字来形容:。在知乎答主、“医学”话题优秀回答者菲利普医生看来,这种生物机器人在技术实现上并不困难,难能可贵的是创新性的思维和借助超级计算机进行流体力学,筛选出最佳的机器人构造模型。

  另一外知乎答主、中国科学院大学遗传学专业博士孟凡康则提到了机器人与自然生命的对比:复杂度简直少了几百万量级的水平。自然的生命可以上珠穆朗玛峰,下马里纳亚海沟,入地球大气边缘,进人体肠道共存,而这个机器人最多只能存在10天,而最强的功能就只是蹦跶几下而已。

  以下为菲利普医生和孟凡康回答全文,腾讯科技稍作整理:

  菲利普医生:

  这种生物机器人在在技术实现上并不困难,难能可贵的是创新性的思维和借助超级计算机进行流体力学,筛选出最佳的机器人构造模型。

  首先我尽可能用简单的语言帮大家了解这种机器人的构造和工作原理

  科研人员选择了非洲爪蟾的胚胎,分离出胚胎干细胞,然后在体外进行分化和扩增,分别其分化为表皮细胞和心肌细胞。

  说到非洲爪蟾,逛过花鸟鱼虫市场的人应该很多都见过。他们以“金蛙”、“五彩蛙”之名售卖,其实这些都洲爪蟾的白化种染色形成,国内一般作为大型观赏鱼的饲料:

  其实这种小最初是被作为一种实验动物饲养繁殖的,原因很简单,就是皮实耐操而且容易繁殖。人类历史上第一次克隆试验就是用非洲爪蟾完成的,我们更熟知的克隆羊多莉其实是第一只克隆的哺乳动物。

  所以这次研究人员选用非洲爪蟾也是因为我们对这种模式生物太熟悉了。

  那么一个胚胎干细胞可以分化成几百种细胞,为什么独独选择了表皮细胞和心肌细胞呢?

  因为作为机器人,首先要会动,那么几百种细胞中会动的就是骨骼肌细胞和心肌细胞了。骨骼肌细胞虽然能动,但是需要的电化学才能收缩。心肌细胞则不同,只要的化学成分稳定,就可以保持不断地自主收缩。

  而表皮细胞和心肌细胞来源于不同的胚层,在构建生物机器人的时候不容易和心肌细胞混合,而是一团表皮细胞团与一团心肌细胞团紧密粘在一起,形成一定的功能结构。未来如果需要这种生物机器人发挥功能,表皮细胞可以换成细胞,甚至在这两种细胞之外再加一两种。

  论文作者将不会动的表皮细胞称为“被动细胞”,会动的心肌细胞称为“主动细胞”。前者为后者提供收缩运动的杠杆,后者为前者提供动力。这样两种细胞就构成了一种可以运动的复合细胞团。

  那么如何让心肌细胞团和表皮细胞按照一定的结合模式长在一起呢?

  答案很简单很——细胞分泌的细胞外基质会把两团细胞粘在一起,科技新闻拿很细很细的镊子在显微镜下像捏橡皮泥那样塑个型就完事儿了:

  但是如何才能让这团小肉肉按照我们需要的形式运动呢?

  这就是这项研究的高明之处和创新性所在——计算机模拟构型。究竟表皮细胞和心肌细胞在空间结构上如何搭配才能让细胞完成不同的运能呢?与其一种结构一种结构地去盲目试验,研究团队选择了计算机模拟。让不同的搭配结构在计算机模拟下进行流体力学的运动试验。

  搭建不同形态的生物机器人然后放进培养基里面进行运动试验是被动筛选,而研究人员请计算机代劳则大大提高了效率。我们不妨看一下论文中披露的“冰山一角”:

  红色的心肌细胞和蓝色的表皮细胞,以不同的数量比例、不同的搭配方法进行无数种搭配,然后交给计算机进行运算,其在液体中的运动受力情况和运动轨迹。这样粗筛出最符合设计要求的结构再进行体外实验进行验证。

  说完原理,再谈谈生物机器人的局限性

  这种生物机器人能够根据使用目的进行计算机预先编程,然后根据模拟结果捏出来需要的构型。虽然这项研究开创了一个非常新颖的思,但是在我看距离广泛应用还面临一系列的难题:

  1、批量生产不能靠捏:目前根据这篇文献的方法,所有生物机器人均为科研人员手工“”。未来如果需要应用到人体,显然几个机器人肯定是不够用的。如何生产成千上万个这种小肉球,使其在结构和功能上趋近于一致,不能纯靠人工。

  2、营养供应需要提供:虽然在论文中,生物机器人显示出不眠不休的持续工作能力、不惧机械损伤的修复能力。但这一切都有赖于稳定的外——这些小肉球无不浸泡在营养丰富、含有氧气的培养基里面。所以可以想见,未来如果这项技术应用于人体,机器人可能只能在血管中运行,依靠血液中的营养和氧气维持生命和功能。

  3、未来人体应用还要面临很多问题:如果未来这种技术要应用到人体,肯定不能从胚胎干细胞分化出主动细胞和被动细胞,毕竟那颗胚胎已经张了嘛。如果用的人类胚胎干细胞,这些干细胞分化以后将产生成熟的MHC抗原,用到人体会出现免疫反应,或许需要术前配型。具体类似于的配型。

  如果不走胚胎干细胞分化这条,这就需要从人体已经分化成熟的人体组织中分离出细胞再扩增用于制造生物机器人。但这又面临了一个更加棘手的问题,心肌细胞要从心脏取组织,而且心肌细胞在体外很难扩增。所以未来人体应用或许异体胚胎干细胞分化增殖这条或许更容易些。术前要做移植配型。

  虽然未来应用于人体还有很长的要走,很多的问题要解决。但这个新技术却有很的前景:

  根据论文中的展望,研究者们认为:生物机器人的特性展示了其未来无限的可能性。它们可以被用来清理海洋中的微塑料污染,定位和消化有毒物质,或者进入人体血管,精准输送药物、清除动脉壁上的斑块等等。

  但令我不解的是,海水中电解质浓度比较高,这些小肉球进入海水很有可能出现脱水死亡。而且海水中的营养物质太少,机器人无法直接摄取利用,如何能够清理海洋微塑料垃圾,实在是想不通。文献中也并未提及这一设想的具体实施方法。

  说句题外话,目前很多偏向于生物应用的新型机器人其实并不一定都是结构复杂的精密仪器,反而可能是结构极其简单,体型在微米级别的小家伙。

  如前段时间火爆全网的“Spermbot”,就是一个小小的金属线圈:这个小家伙能够自己找到“瘸腿”的,从尾巴上套进去,然后自己在体外作用下旋转起来,推动奔向卵细胞。

  孟凡康

  这项工作类似于工程细胞的升级版——合成组织工程(Synthetic Tissue Engineering),简单一句话来说:这项工作用 「计算设计 + 生物制造」创造一个机器人,其可以实现多种人为设定的功能。

  第一部分:机器人的设计过程与特性

  1. 这是个什么样的机器人?

  这是一种过「计算设计 + 生物制造」创造出来,由生物细胞组成的可编程机器人,可自主,实现人为设定的多种功能。

  2.简要的语言介绍其实如何设计的?

  这种机器人是通过下面这种流程设计出来的,主要分为两步:计算设计 + 生物制造

  计算设计:进化算法 + 性能过滤器

  设计的第一步是:「进化算法」。进化算法为新的设计形式创建了多代、数千个候选方案,并在基于物理的虚拟中对每个设计进行,并自动分配性能得分。性能较低的设计将被删除,并被性能较高的设计的随机修改副本覆盖。重复此过程可以产生多样化且具有较高性能的设计方案。

  设计的第二步是:「性能过滤器」。过滤器的主要作用是为了判断并最终删除不符合要求的设计。主要有两个过滤器,第一个是「Robustness Filter,鲁棒性过滤器」,主要是通过噪声抵抗能力来判断并删除那些无法抵抗混乱复杂的现实物理的设计。第二个是「Build Filter,建造过滤器」,主要是判断并删除不适合当前生物构建方法的设计。

  生物制造:干细胞培养 + 显微操作

  首先从囊胚阶段非洲爪蟾胚胎中刮下皮肤细胞和心肌细胞的早期细胞,将它们分离成单个细胞,然后按照层次堆叠的方式对不同细胞进行孵育。然后研究人员使用微小的镊子和电极,手动对的组织进行塑形,在显微镜下操作将其塑造计算机设计的近似形态。

  组成了新的形态后,这些细胞就开始协同工作,实现预期中的多样功能。

  3. 这样的机器人展现出了什么特性?

  Collective Behavior 群体性行为:比如两种设计通常会发生碰撞,形成暂时的机械结合,并在沿切线分离之前彼此绕转数圈

  Objection Manipulation 物体操控:比如某些设计可以特定的物体,清除目标区域的杂物或丢弃目标物体。

  Object Transport 物体运输:某些设计通过在其横向平面中心设置孔状结构,可以减少位移中的液体阻力。这种结构在计算模拟中可以实心特定物品的运输,但是在实际实验中并没有实现。

  第二部分:机器人的在设计上的优越性

  1.生物设计上的优越性

  自组织特性

  心肌细胞之间出现的自发协调会相干的,相匹配的收缩运动。

  不同的设计之间会相互关联,相互协调,完成特定的行为,比如或者围绕运动

  修复特性

  此机器在遭受时可修复,例如自动修复割裂伤。

  2.计算设计上的优越性

  通用化和自动化

  此文章的计算设计方法可以实现通用化和自动化,因为生成器和过滤器体系结构允许元素进行模块化添加,删除或重组,以便快速设计和部署新的机器系统。科技新闻

  更多的过滤器:更多的参数,更加符合设计需求,

  神经网络可以进行分层设计优化:单个设计能够成为新的构架模块,进行更加复杂的设计。

  我看到很多为了吸引眼球,在报到中会渲染一种恐惧,以至于让很多感觉这种生物设计是最终会人类的。很多电影情节也会这样去做:火星生命地球、生物突变感染人类等等。

  说真的,真的不会这样。现在的这些设计,我想说几点:

  1. 这些设计真的还只是初级水平。

  和自然生物比起来,复杂度简直少了几百万量级的水平。自然的生命可以上珠穆朗玛峰,下马里纳亚海沟,入地球大气边缘,进人体肠道共存。而这个机器人最多只能存在10天,而最强的功能就只是蹦跶几下而已。

  2. 机器人继续发最终其实就是一个生物组织或者最高就是自然生命而已。

  比如我们为了可以设计一个很炫酷的机器人:它可以维持自身的结构,同时源源不断癌症的细胞武器,监测体内的情况,并且清除癌变的细胞。酷不酷?不过这不就是人体内的淋巴组织吗?!

  所以说,完全不必担心其,我们对自然生命的学习还远远不够。40亿年的生命进化宝库其实还有太多的东西值得学习。

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