点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:细胞“长成”碳基机器人 靠的竟是一种生命本能
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

细胞“长成”碳基机器人 靠的竟是一种生命本能

来源:科技日报2021-05-06 10:20

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  《科学·机器人》日前发布的论文中介绍了一种别致的机器人:从胚胎干细胞中培养出来的Xenobot。在人类的控制下,它能够游动、清扫垃圾、报告路线、穿越空间……

  科幻大片《变形金刚》固化了人们对于机器人的印象,似乎只有“大家伙”“钢铁之躯”才能称得上机器人。Xenobot却完全不同,软软的生命体小球,同样可以跑得很快,在人类发出指令后,自主完成指定任务。确切地说,Xenobot不是单个小球,而是由无数个小机器人组成的集群机器人。科幻作品《云端杀机》中曾描述过集群机器人的设计理念和威力:通过像蚁群一样的有机组织,集群机器人能完成令人意想不到的任务。

  集群机器人的思路或许很适合活细胞。论文作者、来自塔夫茨大学的迈克·雷凌(Michael Levin)教授团队认为:活细胞已经有许多传感器、效应器和信号/计算电路,它们固有的生化、生物力学、生物电通信等特性可以被重新利用,以实现新的功能。

  如果说传统机器人是硅基机器人,以生命体单元制造的机器人则可以称为碳基机器人。小型化、集群化、利用生物本来特性的思路的碳基机器人无疑将迎来一个新的“爆发点”。

  干细胞还有“没放飞”的能力

  在迈克·雷凌看来,细胞的能力并没有被充分认识和使用。

  “人类完全可以创造出一台完全生物化的机器,而不是依靠人工合成的部件来指定机器人实现某些功能。”迈克在论文中写到,人们忽略了细胞的一个重要特性:细胞的自组织能力。

  此前,很多科学家在细胞上花心思,让细胞这种生命单元成为机器人的元器件。例如,用骨骼肌或心肌组织创造出微型生物杂交鱼,让它能够行走和游泳;借助趋光性,让生物杂交的黄貂鱼按照需要行动……但这些设计方法都基于传统机器人的思路,即借助一个具象的“器官”,通过合成元件赋予机器人移动的能力。一些具有高硬度的微米薄板、抗断裂的细丝等人工合成的非生命材料被加入其中进行辅助或支撑。

  这就好比细胞本来是“意念超能力者”,能用意念互相传递信息,人们非要给它们个大喇叭,让它们互相“喊话”再协作。

  事实上,细胞间有自己的组织体系是有物质基础的。例如坐落在细胞膜的大量“受体”,它们通过接收声、光、电、力、化学信号等各种形态的信号,将外部的情况通知到细胞内再做反应。

  可见,人类世界的局限性限制了人类探索细胞世界的想象力。

  迈克团队决定将这种“超能力”展现出来,他们选择了爪蟾的胚胎干细胞。显微注射的方法让这类细胞“放卫星”,这主要得益于科学家对胚胎干细胞“信号图”的研究比较透彻。比如一堆细胞如何自己就组织形成了一个肝的形状。

  发育生物学长期以来一直致力于揭示基因、调控中心在驱动未分化前体细胞、组织时的级联信号。历史上,胚胎原生系统中已经创建了形态学和分子命运图。

  在前人的研究基础上,课题组在爪蟾胚胎未分化的外胚层区域获取干细胞组织,在一系列培养环境下,4天后,3100个左右细胞形成的小球成形了,又过了3天,这些直径0.5毫米左右的小球得以以每秒钟0.1毫米的速度在溶液中游动。

  发动生命“原力”,碳基机器人萌发中

  这样的小球之所以被定义为机器人,原因在于它能执行指令,自主工作。

  为了让机器人工作,研究者花费了大量的精力。就像前面提到的,以往研究通过借助肌肉细胞、神经细胞、甚至非生命构造“搭建”碳基机器人,让它们动起来。

  而这项研究表明并不需要神经细胞和肌肉细胞,就能造出一个会工作的机器人。研究者们用一种神经元的标记试验来寻找可能存在于Xenobot中的神经系统,发现它们的运作里没有神经细胞的信号。

  动力系统则使用了纤毛。基于对纤毛产生的机理机制的掌握,研究者发现一种被称为Notch受体的胞内结构域(NotchICD)与纤毛产生的多少有关,进而能够控制Xenobot的多纤毛细胞的密度。

  有了纤毛,Xenobot就像有了马达带动的螺旋桨。把它们放在均匀铺满氧化铁颗粒的培养皿中,它们能够一起扫过培养皿表面,迅速收集大量氧化铁颗粒,进行清理垃圾的工作。研究团队相信,随着进一步的开发,这种新型生命机器甚至可以用于清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。

  可见,科学家们正在寻找一条对生命的“原力”善加利用、制造简易碳基机器人的可行道路。当然,这样的机器人能力还只处于初级。

  还有这些优点,让人拍手称快

  Xenobot生产简单的优势使其在现实中的应用门槛大大降低。

  无需能源支持、能够自行解体、记录行驶路线、破“壁”出入自如……论文中Xenobot的这些优点,令人拍手称快。

  “Xenobot不需要外部食物来源,它们代谢的是早期胚胎爪蟾组织中存在的母体原本的卵黄。”论文中写道,它们在寿命终止时,会自行脱落并退化,最终实现组织解体。

  通过向非洲爪蟾胚胎细胞中注入编码荧光蛋白的mRNA,研究团队还实现了报告功能,通过Xenobot内置的荧光开关,记录它们的路径。研究团队表示,可以利用这种分子记忆来检测放射性污染物、化学污染物等情况。

  Xenobot同样被研究团队验证可以顺利地穿过很长的毛细血管。“我们在论文中报告了使用非洲爪蟾动物细胞来生成能够在各种环境中移动的‘自动游泳机’。”论文中这样描述。

  《云端杀机》中描述了一场惊心动魄的对恐怖组织头目的刺杀行动,由千万级别的简易飞机群以蜂拥而至、出奇制胜、火速撤退的步骤成功完成。

  试想,如果拥有Xenobot的这些优点,这些简易飞机将无需自带电源、无需搭载自爆装置就可完成任务,信号机也无需携带定位装置即可到达指定目的地。

  与此同时,论文研究者认为,生物机器人中的细胞还可以吸收和分解化学物质,发挥微型工厂的作用。通过计算机模拟,可以为它们设计更复杂的行为,让它们执行更复杂的任务。

  内行答疑

  生物机器人:实际应用条件尚不完备

  答疑专家:叶海峰(华东师范大学医学合成生物学研究中心执行主任、国家重点研发计划项目首席科学家)

  Q:用干细胞生产机器人,可行吗?

  A:通过对干细胞进行干扰、重编程,使其产生全新的生物学功能,获得机器人是完全可行的。如2018年就有研究者通过基因改造间充质干细胞,使得其细胞表面表达可以调控的受体蛋白,从而使得生物机器人的部分部件可以受控制地结合和解离。

  但是目前生物机器人距离实际应用还有很远的距离。这一方法仍然面临一些问题,包括该论文初步解决的如何使其进行自组装,如何保证细胞机器人具有运动能力以及通过合理的设计,使其产生更为复杂的生物学功能,如清除体内“毒素”,检测细胞癌变并发出信号等。

  总之,生物机器人应用于生物医学或环境监测还需要走很长的路。该文章中阐述的生物机器人的运动是不受控制的,所以这些机器人到底运动到了哪里,能不能到达预期的地点也是个问题。

  Q:论文中的一些成果来自计算机模拟,计算机模拟在研究中起到什么作用?

  A:该论文之所以用计算机模拟细胞的运动,是因为纳米机器人在微环境中的运动方式和宏观世界中有很大区别。同时该机器人的形状,以及细胞的数量等对机器人在特定液体环境中的运动都有很大影响,所以会用计算机模拟每种机器人的形状或者细胞数量等变量在不同的组合方式下,该机器人会以什么样的方式运动。有了这些计算机的模拟基础,研究人员才可以更好地设计编程机器人。

  在实验前,利用计算机模拟细胞行动极大地降低研究人员的工作量,并为研究人员提供了可行性高的设计方案。合成生物学在研究前并不是都需要模拟,但要根据已有的生物学知识,进行合理的组装、设计并预测其可能的行为。计算机模拟能按照我们预期的方向提供科学的方案。

  (记者 张佳星)

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 山东畅通煤炭运输保供应

  • 老街故事·抚州

独家策划

推荐阅读
党的二十大报告提出,“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,加快实现高水平科技自立自强”。
2024-04-19 11:08
科技成果只有转化为实用性技术,才能推动发展新质生产力,才能释放出驱动创新的力量,也才能推动构建现代化产业体系,为实现高水平科技自立自强和高质量发展提供有力支撑。
2024-04-19 02:45
自生成式人工智能(AI)程序,如ChatGPT发布以来,何时及如何利用它撰写研究论文成为人们争论的焦点。
2024-04-19 10:08
4月19日,清华大学基础医学院教授程功团队与合作者在《科学》发表论文,提出了一项阻断蚊虫传播传染病的新策略。
2024-04-19 10:07
量子光源芯片是量子互联网的核心器件,可以看作点亮“量子房间”的“量子灯泡”,能让互联网用户拥有进行量子信息交互的能力。
2024-04-19 09:50
在山西省翼城县,通过政府搭台,构建科企合作机制,普查新发现的爆裂玉米种质资源“珍珠玉米”加快了品种开发步伐。
2024-04-19 09:48
17日,国新办举行新闻发布会解读当前经济形势和有关政策。“我国新型低空飞行器呈现蓬勃发展态势,特别是信息通信、北斗导航、高精导航等新技术广泛应用,一些企业的自动驾驶技术也不断进步。
2024-04-18 10:17
2022年底,清华环境研究院携手苏州嗨森无人机科技有限公司,合作开发了基于无人机的挥发性有机物精准溯源技术。”  截至目前,清华环境研究院已经取得了600多项知识产权,通过技术作价入股方式转化了30多项清华大学专利,形成了25支研发团队、51家孵化公司。
2024-04-18 10:16
2023年,生成式人工智能在全球范围爆火,引发了人工智能领域新一轮的科技竞赛。“大模型为通用机器人提供强大的能力,人工智能可以将运算、感知、认知、决策、创造等各类智能集成应用在机器人平台上。
2024-04-18 10:14
“总体来看,今年论坛聚焦人工智能、生命科学、新材料等科技前沿领域,以及碳达峰碳中和、医疗健康、清洁能源等民生科技领域。“北京国际科技创新中心建设的突出成效体现为‘六个创新跃升’和‘五个全球前列’。
2024-04-18 10:11
新能源目前主要指光伏发电、风力发电以及二次能源如氢能等。风和光都是自然资源,取之不竭,用之不尽。
2024-04-18 10:10
广西中医药研究院中药资源团队在开展全国第四次中药资源普查和广西第一次林草种质资源普查中,发现石山油桐、美脉假糙苏、线叶度量草、广西割舌树、洞生香草、广西肺筋草6种高等植物新物种。
2024-04-17 09:10
2023年我国公民具备科学素质的比例达到14.14%,这一最新调查数据意味着什么?对我国经济和社会发展有何重要意义?与世界主要发达国家20%~30%的公民科学素质水平相比,我国公民科学素质仍有不小差距,未来提升公民科学素质,还有哪些挑战?
2024-04-17 09:39
从国家知识产权局获悉,《2023年中国专利调查报告》近日发布。报告显示,2023年,我国发明专利产业化率达39.6%,较上年提高2.9个百分点,连续五年稳步提高。
2024-04-17 09:38
绿色是生命的象征、大自然的底色,良好生态环境是美好生活的基础、人民共同的期盼。
2024-04-17 09:38
中国科协16日发布第十三次中国公民科学素质抽样调查结果。结果显示,2023年我国公民具备科学素质的比例达到14.14%,比2022年的12.93%提高了1.21个百分点,我国公民科学素质呈现提速增长趋势。
2024-04-17 09:37
施工人员在做桥梁前移施工准备。呼兰河上,桥墩破冰器分外醒目;庆安制梁场的智能化保温棚内,一榀榀桥梁在蒸汽中凝固成型;哈伊高铁全线建成通车后,将不断满足广大群众的出行需求,为加快建设我国向北开放新高地贡献力量。
2024-04-17 09:49
近日,中国科学院理化技术研究所研究员王树涛、副研究员时连鑫团队研发出新一代针对黏性渗出液,如糖尿病足渗出液的单向导液伤口敷料。该研究为高黏性渗出液引起的伤口愈合困难问题提供了可行的解决方案,在医用敷料、渗液管理等领域具有广阔应用前景。
2024-04-17 09:40
作为一种新兴的林业信息化科技创新手段,智慧林业需要加强顶层设计,统筹指导与管理。回顾智慧林业的发展历程,我们不难发现,智能化革新已经成为现代林业发展的重要标志。
2024-04-16 10:15
习近平总书记指出“科技创新能够催生新产业、新模式、新动能,是发展新质生产力的核心要素”,同时强调“强化企业科技创新主体地位”。从内涵及本质要求来看,新质生产力由“技术革命性突破、生产要素创新性配置、产业深度转型升级而催生”。
2024-04-16 10:14
加载更多