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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 话剧《永远的“四大队”》在京首演

  • 适老化产品与服务助力银发经济

独家策划

推荐阅读
11月,在山东建筑大学,虽已回到校园,但建筑电气与智能化专业学生王凡的思绪却总回到千里之外的青海金银滩草原。今年夏天,他作为山东赴海北暑期交流实习队伍的一员,在青海海北藏族自治州海晏县应急管理局实习了两个月。
2026-11-06 09:49
11月5日,“雪龙2”号极地科考破冰船在海南三亚南山港科考码头进行停靠补给并举行公众开放日活动。图为“雪龙2”号极地科考破冰船。
2026-11-06 09:48
恒星的亮度并非恒定不变,有的会突然变亮,有的会骤然变暗,变化快的,几分钟内便完成一轮明暗变化。臧伟呈表示,这项巡天的初始科学目标,是用微引力透镜方法搜寻地球到火星质量级别的流浪行星。
2026-11-06 09:47
作者:庄伟光、吴源(分别系广东省政府文史研究馆馆员、省社科院研究员,广东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;农文旅融合,不是农业做背景、文化贴标签、旅游凑项目的简单叠加,而是生产要素的创造性重组。
2026-11-06 09:45
河北邯郸曲周县,昔日“春天白茫茫,夏天水汪汪”的盐碱荒滩,经一代代耕耘者科技赋能、接续改良,已从亩产“一背篓”迈向“绿色吨半粮”的高产田。丰收之外,耕耘者持续探索生态友好耕作模式,改良土壤、养护地力,跳出单一追求高产的思维模式,稳步迈向可持续稳产增收之路。
2026-11-06 09:44
一组膜材料样品刚完成溶剂耐受性测试,教师第一党支部书记李卫星招呼大家把椅子一拢,在实验台旁围坐一圈,开始学习党的二十届五中全会精神。譬如,分离膜是芯片、生物医药领域的关键材料,下一步,我们要抓紧攻关,把国产替代做出来……”  “攻克‘卡脖子’难题,离不开良好的科研风气。
2026-11-06 09:42
此次研究旨在将结构知识融入大规模序列学习,同时保持模型在不同结构与功能任务中的适应性和泛化能力。中国科大生物医学工程学院博士朱河勤为论文第一作者,该校教授周少华和特任研究员熊鹏为该文章共同通讯作者。
2026-11-05 09:18
创新是一个民族进步的灵魂,是一个国家兴旺发达的不竭动力。习近平总书记指出,“着眼发展新质生产力,强化科技创新和产业创新深度融合,建设具有国际竞争力的现代化产业体系”。
2026-11-05 04:25
每年这个时节,乌镇处处都会涌动着创新的生机与活力——由于世界互联网大会乌镇峰会的约定,各方宾客带来最前沿的技术、最先进的成果、最领先的思想,让这里成为世界观察中国数字发展、中国参与全球数字治理的窗口。
2026-11-05 04:25
和前些年一样,有人买家具,有人囤化妆品,但今年有些不同的是,有直播间的评论区里刷出“3、2、1,上Token”,AI软件的会员月卡成了直播间里的抢手货。随着AI覆盖面的扩大,Token消耗量越来越大,不少AI软件已经出现了免费的大模型需要排队的情况,如果没有付费,等待时间就要变长。
2026-11-05 09:17
人类社会到底需不需要通用人工智能(AGI)?这个问题不能只从技术能力的层面回答。人类社会发展从来不是单纯追求“能力越大越好”,而是追求一种能被人类理解、被人类约束、出了错还能纠正的能力。
2026-11-05 04:25
西北戈壁滩上,多方向、多批次自杀式无人机集群低空掠过,高速冲向目标。“我们聚焦制约激光反无装备性能的关键技术,持续多年开展攻关,先后破解光纤拉制、散热控温、精准打击等难题。
2026-11-04 09:55
1.75万辆北斗高精度共享电单车服务超600万人次,“5G+北斗”低空空域监视通信专网填补空白……近期,第五届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲举行,一项项北斗应用惊艳亮相。聚力卫星研制、终端制造、场景示范、国际合作,“北斗之城”将迸发出更大能量,成为中部崛起的强劲力量。
2026-11-04 09:49
今年8月,在2026世界机器人大会举办期间,全国首个具身机器人演出“沙盒审批”试点在北京亦庄落地,首形科技(北京)有限公司、北京中科慧灵具身智能科技有限公司、阿卡帕尼(北京)机器人有限公司三家企业获颁《具身机器人演出“沙盒审批”准入证明》。北京经开区已率先落地全国首个数字人营业性演出沙盒试点,如今演出“沙盒审批”已从虚拟数字人延伸至实体机器人。
2026-11-04 09:48
今年“双十一”电商大促,Token(词元)以独立品类在多个电商平台上架,看不见、摸不着的算力服务,变成可以下单的商品。青海西宁市民苏国庆是一名短视频爱好者,为了让视频呈现更好的效果,趁着电商大促,他“囤”了不少Token。
2026-11-04 09:45
“十五五”规划纲要提出,面向生物育种、生产管理、疫病防治等场景加快农业数智化升级。站在“十五五”开局之年,我国数智技术加速赋能千行百业,成为驱动经济发展的创新动力。
2026-11-04 04:20
11月3日8时15分,力箭二号遥二运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的千帆极轨21组卫星顺利送入预定轨道,飞行试验任务取得圆满成功。
2026-11-03 09:33
2026年5月,国务院印发《加快农业农村现代化“十五五”规划》,对“健全现代农业经营服务体系”进行部署,强调“将先进适用品种、技术、装备引入小农户”“促进小农户和现代农业发展有机衔接”。
2026-11-03 03:55
近日,中共中央、国务院印发《关于发展新质生产力的意见》,对“改造提升传统产业”作出系统部署,并将其作为推动科技创新和产业创新深度融合的重要任务之一。
2026-11-03 03:55
1983年2月,“两弹一星”元勋钱学森给中国科学院院士李正武写了一封信。信件仅200余字,没有客套寒暄,却映照出两位“患难之交”的深厚情谊和默契。
2026-11-03 03:55
加载更多