机器人也有生命了!佛蒙特大学研发出会“进化”的生物机器人

2020-05-09 14:15 12 阅读 ID:34
将门
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    From: Scientufic American; 作者:Iris

    假如从青蛙胚胎中提取细胞,通过超级计算机的“进化算法”进行生命再造,会发生什么?——你将得到世界上第一台“活机器人”

    尽管这些机器人是基于非洲爪蛙所创造而成的,它们的外表可和那些两栖动物完全不同,事实上,它们的外形更像是一种微型的气泡。研究显示,这些被设计成小气泡模样、由活体组织构成的生物机器人只有0.04英寸(1毫米)宽,可以独立或集体移动,假如不慎受伤,还能快速自愈,一般可以存活数周。如今,经试验后,它们已能够被用于在病人体内运送抗生素等药物

    会“进化”的活机器人

    研究报告的合著者、佛蒙特大学的计算机科学家兼机器人专家约书亚•邦加德(Joshua Bongard)如是说道:“它们既不是传统的机器人,也不能算是一种全新的动物物种,这是一种新的人工制品:一种活的、可编程的有机体。”

    研究员萨姆•克利格曼(Sam Kriegman)也表示同意:“在生物机器人的皮肤和心脏干细胞中能够生长出数百个细胞的组织簇,这些细胞在心肌组织产生的脉冲中移动。这样的生物机理运作是纯自主性的,没有来自遥控器或生物电的外部控制。它几乎就像一个发条玩具

    青蛙皮肤(绿色)和心肌(红色)生成的生物体

    机器人的制造过程颇为复杂。研究团队先是在超级计算机上模拟了生物细胞可能生成的各个结构,他们用超级进化算法测试了数千种可能性,并最终找到了在生物学方面最佳的理想细胞结构,也就是非洲爪蛙细胞。团队从非洲爪蛙的胚胎中提取出干细胞,用镊子和电极将数个干细胞连接起来,使用计算机来接收生物电流中产生的信息反馈,再利用信息反馈进行编程,制造出世界上第一个活的生物机器人。

    非洲爪蛙

    为了进一步规范生物机器人的运动,生物学家在程序中输入了筛选条件,比如测试机器人是否能调动最大肌肉力量,以及检测它们如何在液体中快速移动。这个算法帮助生物机器人一代代进化,其中,性能最佳的机器人的算法会被重复迭代和“复制”,就像生物在自然界中进化一样,而表现不佳的算法则会被计算机程序删除。

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    “最终,这种淘汰制的程序设计,能够为我们提供可以转移到真正的生物细胞上的算法。这是一个了不得的大突破。”克里格曼说。

    多功能应用与实践

    心脏细胞能够自动收缩放松,驱动生物机器人前进,在其受损后还能够输送能量以治愈伤口。一旦细胞能量用完,机器人就会像生物自然死亡一样崩溃腐烂。夫茨大学艾伦发现中心主任迈克尔·莱文表示,这个项目的最终目标是规模化生产小型活体机器人,用哺乳动物的细胞创造出有血管、神经系统、感觉细胞和眼睛的生物机器人。

    研究人员也正在将这些目标蓝图付诸实践,他们将干细胞拼接在一起,形成由进化算法设计而成的的自供电3D模型。研究表明,皮肤细胞能够将生物机器人的各个“身体”部位连接在一起,在它们的“身体”特定部位的心脏组织会持续跳动,推动它们于培养皿中连续数日甚至数周去适应在水中行走的体验,而不需要额外的营养输入来支撑其行走。克里格曼说,这些机器人甚至能够自我修复严重的物理损坏。团队发现,假使把一个生物机器人切成两半,细胞也会自动将它的“身体”重新粘连起来。

    非洲爪蛙干细胞

    马萨诸塞州塔夫茨大学再生与发育生物学中心主任、该研究的共同作者迈克尔·莱文说:“我们可以想象,这些活机器人有许多其他机器所做不到的有效应用。”他表示,这些措施可能包括抑制有毒物质泄漏或放射性污染,收集海洋微塑料,甚至从人体动脉中挖掘空斑等。

    生物机器人发展前景大好,是喜是忧?

    关于生物机器人的概念股故事也是科幻小说和电影中的热门创作主题,比如《终结者》(Terminator)电影里的杀人机器,以及《银翼杀手》(Blade Runner)世界里最终替代了人类的复制人。莱文认为,如果这种生物机器人的前景,即利用技术来创造活的生物体的科技发展未来引起了人们的担忧,那也是可以理解的。

    曾经有科学家制造出如图的微型四足生物

    莱文这样说道:“这种担心不无道理。当我们开始试着操作我们并不了解的复杂系统时,我们也可能要承担一些意想不到的后果。”

    尽管如此,他补充说,建立在像小气泡生物机器人这样简单的有机形式上的算法设计,也会带来诸多有益的发现。“如果人类要生存到未来,我们必须更好地理解生物体的复杂的机理是如何从简单的算法规则中产生的。

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