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

  • 2026年巴塞尔艺术展香港展会启幕

  • 江西上饶:防火宣传进景区

独家策划

推荐阅读
全国科学技术名词审定委员会25日发布《关于发布试用人工智能领域名词token中文名“词元”的公告》,决定在综合考量社会各界意见建议的基础上,优先推荐“词元”作为人工智能领域名词token的中文名,并面向全社会发布试用。
2026-03-26 09:23
木卫二是一颗冰封的木星卫星,也是太阳系内最有希望孕育地外生命的地方。“欧罗巴快船”团队认为,他们将发现适宜生命生存的海洋,但除非探测器真正抵达、展开探测,没有人能给出确切的答案。
2026-03-26 09:24
作者:陆俊杰(南通大学副校长,江苏省习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心特约研究员)  在促进创新链产业链资金链人才链深度融合、推动科技成果高效转化应用上探索新途径,是“十五五”时期江苏经济社会发展的重要目标任务。深耕“双高协同”不仅是破解科研创新与产业需求脱节的关键举措,更是落实创新驱动发展战略的重要布局。
2026-03-26 09:24
记者从中国发明协会获悉:在瑞士日内瓦举行的第五十一届日内瓦国际发明展上,中国代表团共获得90项金奖、95项银奖和52项铜奖。
2026-03-26 09:30
工业和信息化部25日公布,今年前2个月,我国通信业运行平稳,电信业务总量保持增长,5G、千兆光网、物联网等网络基础设施建设有序推进。截至2月末,5G基站总数达490.9万个,比上年末净增7万个,占移动基站总数的38%。
2026-03-26 09:24
3月25日,国家自然科学基金委员会在2026中关村论坛年会开幕式上发布2025年度“中国科学十大进展”,10项重大基础研究突破入选。界面调控新方法创制面向空天应用的高性能柔性叠层太阳能电池示意图 国家自然科学基金委员会供图 
2026-03-26 09:22
3月25日,以“创新与发展”为永久主题,由科技部、国家发展改革委、工业和信息化部、国务院国资委、中国科学院、中国工程院、中国科协和北京市政府共同主办的2026中关村论坛年会在北京拉开帷幕。
2026-03-26 09:21
记者24日从农业农村部获悉,农业农村部近日印发通知,督促指导各地依法严厉打击坑农害农、危害粮食安全和农产品质量安全违法行为,守护群众“舌尖上的安全”,持续夯实国家粮食安全根基。
2026-03-25 10:22
氢能兼具能源、资源、储能介质三重属性,氢能产业科技含量高、低碳属性强、发展空间大。通知提出到2030年,通过应用规模扩大,推动氢能应用技术、工艺、装备创新突破,实现燃料电池、电解槽、储运装置和材料等迭代升级,推动氢能成为新的经济增长点,支撑实现经济社会发展全面绿色转型。
2026-03-25 10:21
林间密密麻麻的印痕,正是东北虎豹国家公园生态环境越来越好的体现。在科技守护与不懈坚守下,东北虎豹国家公园的生态成果愈发显著:东北虎和东北豹的数量由公园试点初的27只和42只,增长至当前的70只和80只左右。
2026-03-25 10:11
国家卫生健康委和中国气象局24日联合发布首期全国花粉浓度预报服务提示,为公众提供精准防护指引。目前正值春季,以木本植物花粉传播为主,建议过敏人群及时关注本地花粉浓度和种类变化,必要时明确过敏原,提前做好防护和出行安排。
2026-03-25 10:04
自然资源部日前发布四川省冕宁县牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目成果,矿区新增稀土资源量966.6万吨。据悉,牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目还新增伴生萤石资源量2713.5万吨、伴生重晶石资源量3722.8万吨,均达到超大型规模,具有重大战略意义。
2026-03-25 10:00
记者了解到,自20世纪60年代推广杂交玉米种以来,我国玉米的单产提高了约2.7倍,其中51%的增益都来自优良杂交种的选育与应用。进一步研究发现,在现代杂交育种过程中,玉米的基因有害变异被不断清除或互补,并且,杂交种中有害等位基因被抑制表达的比例与其产量和育成年代同步增长。
2026-03-24 09:29
2023年,国务院部署开展专利转化运用专项行动(以下简称“专项行动”)。教育部科学技术与信息化司司长周大旺表示,教育部着力畅通科技成果转化的链条,加速把高校丰富的专利转变为产业发展的红利。
2026-03-24 09:28
走进内蒙古博物院的有机质文物修复室,时间似乎放慢了脚步,空气中透着静谧,只有工具偶尔轻碰的细微声响。”  无机质文物修复室里,文物修复师季园园展示了另一种“手术”场景。
2026-03-24 09:28
柳申滨最初以针刺治疗皮肤炎症及穴位敏化机制为切入点,试图探寻针刺调控皮肤靶器官的效应规律。”  通过和临床医生交流,柳申滨了解到,在压力、焦虑等心理应激状态下,特应性皮炎患者的皮肤炎症会显著加重。
2026-03-24 09:28
全球最大人工智能(AI)模型API聚合平台OpenRouter最新数据显示,3月16日至3月22日,全球AI大模型总调用量为20.4万亿Token,环比增长20.7%。”
2026-03-24 09:28
杂交稻的大面积推广显著提升了水稻产量,但其生产长期依赖程序复杂、成本高昂且需年年重复的杂交制种过程。
2026-03-23 09:40
近日,澳大利亚一位机器学习领域科技企业家,通过人工智能大模型自行设计肿瘤疫苗,救治自家患癌宠物犬的故事广受关注。
2026-03-23 09:39
记者从中国石化获悉,我国首套全链条国产化溶液法聚烯烃弹性体工业化装置在天津进入试运行,相关生产技术取得原创性突破,将有效缓解我国光伏等战略性新兴产业对该材料的进口依赖。
2026-03-23 09:33
加载更多