機器之心報道
編輯：蛋醬、張倩
它們將數百個遊離細胞聚到一起，然後在一個「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」。
機器人一定要是金屬、塑膠、木頭、混凝土這些材料做的嗎？去年，美國佛蒙特大學和塔夫茨大學的研究者給出了一個否定的答案。他們依靠進化演算法，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，並將其命名為「Xenobot」。
「Xenobot」不同於傳統機器人，也不是已知的某種動物物種，而是一種新型的、具有生命的、可程式設計的生物。而且，它們可以自主移動，即使被切開也能夠自動癒合。
Xenobots 能夠集體行動（轉圈圈）。
Xenobot 能夠推動外部物件。
Xenobot 在被切開後還能夠自動修復。
從一些設計中可以看到，這些機器人具有中空結構，這意味著他們可以攜帶一些物體（如藥物）到指定區域，在醫療、生物學、化學等領域有很高的研究價值和前景。相關研究發表在去年的《美國科學院院刊》（PNAS）上。
但美中不足的是，初版的 Xenobot 是無法完成自我複製的。這也為後續的研究埋下了伏筆。
在新一期《美國科學院院刊》（PNAS）中，同一個研究團隊宣佈：他們已經攻克了這個難題，造出了有史以來第一批能夠自我複製的活體機器人。
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他們的小盤子裡，找到數百個單細胞並將其聚在一起，然後在一個「吃豆人」形狀的「嘴巴」中組裝出「下一代」Xenobot。
幾天後，這些「下一代」就會變成外觀、動作都與父輩一樣的新 Xenobot。這些新的 Xenobot 會繼續出去尋找細胞，建立自己的副本，迴圈往復。
Xenobot 是世界上第一批能夠自我修復和自我複製的人工智慧設計的生物機器人。「有了正確的設計，它們就會自發地進行自我複製，」研究的領導者之一、佛蒙特大學計算機科學家和機器人專家 Joshua Bongard 表示。
這項新的研究成果於 2021 年 11 月 29 日發表在《美國國家科學院院刊》上。
論文連結：https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118
走進未知的世界
能夠自我複製的 Xenobot 最初是由在佛蒙特大學的超級計算機上執行的 AI 程式「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演算法，目標是發現哪種細胞配置能夠實現自我複製。
最終，AI 發現了一個成功的設計：一組形狀像 1980 年代街機遊戲吃豆人的細胞。
該研究的共同作者、塔夫茨大學高階科學家 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 Xenobots 母體，它由 3000 個青蛙細胞組成，能夠在培養皿中游走。隨後，新增到培養皿中的青蛙細胞為 Xenobots 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 Xenobabies。幾天後，Xenobabies 又成長為新的 Xenobots 母體。透過不斷往培養皿中新增青蛙細胞原料，這種自我複製過程可以一代又一代地繼續下去。
在非洲爪蟾蛙中，這些胚胎細胞會發育成面板。「它們將在蝌蚪的外面，阻擋病原體並重新分配粘液，」塔夫茨大學艾倫探索中心的生物學教授兼主任、新研究的共同負責人 Michael Levin 說。「但我們將它們置於一個新的環境中，讓它們有機會重新想象自身的多細胞性（multicellularity）。」
事實證明，它們「想象」出來的東西與面板大相徑庭。「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複製的所有方式，但這個方式是以前從未觀察到的，」Douglas Blackiston 說。
「這些細胞具有青蛙的基因組，但它們不會變成蝌蚪，而是利用它們的集體智慧和自身的可塑性，實現了一些令人震驚的事情。」在早期的實驗中，科學家們驚訝於 Xenobots 可以按照設計去完成簡單的任務。現在，他們驚訝於這些由計算機設計的生物體會自發地複製。「我們擁有完整的、未改變的青蛙基因組，」Levin 說，「但我們並沒有從中讀出這些細胞可以共同完成這項新任務（將遊離的細胞聚在一起並複製出下一代）。」
「這些青蛙細胞的複製方式與青蛙體內細胞的複製方式大不相同。科學上已知的任何動物或植物都不會以這種方式複製，」新研究的主要作者、剛剛獲得博士學位的 Sam Kriegman 說。
由大約 3000 個細胞組成的 Xenobot 母體自身形成了一個球體。「它們可以繁殖，但之後系統通常會消亡。實際上，讓系統持續繁殖是非常困難的，」Kriegman 說。但藉助在超級計算機叢集上執行的 AI 程式，進化演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、海星，用來找到在基於運動的「運動學」複製中更有效的細胞。
「我們發現生物體或生命系統記憶體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的教授 Bongard 說。「我們如何去探索那個空間？我們發現了會行走的 Xenobots，我們發現了會游泳的 Xenobots。在這項研究中，我們發現了可以自我複製的 Xenobots。今後還會有什麼？」
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：「生命在表面之下隱藏著令人驚訝的行為，等待被發現。」
圖 1: 自發的運動學的自我複製。
如上圖所示，複製過程包括：
- 從早期青蛙囊胚中取出幹細胞，將其解離並置於鹽水溶液中（A），在那裡它們凝聚成包含約 3000 個細胞的球體。球體在 3 天后在其外表面上形成纖毛。
- 當產生的成熟細胞群被放置在直徑 60 毫米的圓盤（B）中的約 60000 個分離的幹細胞中時，它們的集體運動會將一些細胞推到一起成堆（C 和 D），如果這個堆足夠大（至少 50 個細胞），即可發育成能夠遊走的纖毛後代（E），如果提供額外的分離幹細胞（F)，即可建立額外的後代。
- 簡而言之，祖先（p）構建了後代（o），然後後代亦成為祖先。這個過程可以透過扣出額外的解離細胞來中斷。
- 在目前已知的環境條件下，系統至多自然進行兩輪自我複製。停止 (α) 或複製 (1 − α) 的機率取決於適合青蛙胚胎的溫度範圍、解離細胞的濃度、成熟生物的數量和隨機行為、溶液的粘度、培養皿的表面，以及汙染機率。（比例尺 500μm）。
機遇與風險
與其他已知的生物繁殖形式相比，基於運動學的自我複製使得顯著擴大和縮小每一代的後代變得有可能。這表明，生物體或許能夠學會自動設計，以產生不同大小、形狀和有用行為的後代，而不僅僅是數量意義上的自我複製。
一部分人會覺得這項研究結果令人振奮，一部分人可能會對生物自我複製技術的概念感到擔憂甚至恐懼。但對於科學家團隊來說，下一步的目標是更深入的瞭解。
「我們正在努力瞭解這個特性：複製。世界和技術正在迅速變化，對於整個社會來說，研究和了解它是如何運作的很重要，」Bongard 說。
一位 Xenobot 的關注者表示：「這是機器人學和生物學的交叉路口。」
當被問及 Xenobot 是否「智慧」時，Blackiston 更願意將其稱為可程式設計生物，智慧則發生在設計和程式設計階段，而不是在實際的 Xenobot 中。「我的觀點是它們並不智慧，」Blackiston 說。但他也認同，這項工作挑戰了科學定義。「由於這些技術，定義正在走向消亡，」Bongard 說。「Xenobots 是 AI 的產物，而 AI 本身正在幫助人類消滅人類原本對智慧的標準定義。」
面對如今的眾多全球性挑戰，基於運動學的自我複製可以提供一種部署少量生物技術的手段，這些生物技術的設計目的是透過 AI 設計的複製器，使得複製過程實現最大程度地可控。即使可重構生物的表現目前還很初級，人工智慧設計的方法已被證明能夠在未來引導它們走向更有用的形式。
參考連結：
https://www.forbes.com/sites/andreamorris/2021/11/29/ai-just-designed-the-worlds-first-robot-organism-that-can-make-babies/?sh=6358163b6345
https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
