全球首个可自我繁殖活体机器人诞生,AI参与设计,已繁殖4代

医疗器械 来源:医谷网
2021
12/06
15:03
医谷网 医疗器械

继2020年初,美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的研究人员依靠进化算法,利用青蛙的表皮细胞和心肌细胞造出全球首个活体机器人Xenobot后,近日该研究团队发现了一种全新的生物繁殖方式,并利用这一发现将Xenobots升级创造,从而诞生了世界首个可自我繁殖的活体机器人——Xenobots 3.0,这一发现有望在未来为外伤、先天缺陷、癌症、衰老等提供更直接、更个性化的药物治疗。

目前,相关结果以“Kinematic self-replication in reconfigurable organisms”为题,发表在《美国科学院院刊》上。

Xenobot1.0

2020年初发表的文章显示,研究人员利用超级计算机模拟,创建出一组随机设计的皮肤细胞和心肌细胞排列构型,再通过流体力学运动实验等最终筛选出可实现快速移动的最佳构造;接着将非洲爪蟾胚胎干细胞分化成心肌细胞和皮肤细胞,其中心肌细胞提供动力、皮肤细胞提供结构支撑,研究人员将细胞团按照筛选出的构型进行塑性,最终得到Xenobot。

Xenobot长度不到1毫米,能通过心肌细胞的收缩在水性环境中移动,如果Xenobot中间有凹槽,则还可以捡起和携带东西,这意味着它有药物递送的潜力,同时Xenobot还能在切割后自行愈合。Xenobot可在水性环境中存活长达 10 天,并能移动而无需额外补充营养,当其死亡时,通常会无害地降解。

Xenobot2.0

今年3月,研究人员将Xenobot升级到2.0。

研究团队将“自上而下”的构建方式改为了“自下而上”,研究人员从非洲爪蟾的胚胎获得干细胞并允许它们自行组装和生长成球状体,几天后的一些细胞分化产生纤毛,这些纤毛给了新球形机器人以“腿”,这使得它们能在一个表面上快速移动。此外,它还有记录信息的能力。

Xenobot 3.0

事实上,初代Xenobot也可以复制,但最多只能自我复制两次,当新的细胞团只有不到50个细胞时,它就失去了游动、复制的能力。因此,研究人员利用一种模拟自然界演化的算法,预测可以产生更多后代的初始形态,最终C字型/糖豆人形状的机器人脱颖而出,其缺口的“嘴”“嘴”恰好可以帮助Xenobot移动并收集干细胞。

研究人员发现,将足够多的Xenobot放置在培养皿中彼此靠近,它们会聚集并开始将其他漂浮在溶液中的单个干细胞堆叠起来,用糖豆人形状的“嘴”将干细胞组装成“婴儿”Xenobot。几天后,这些“婴儿”就会变成外观和动作都跟母体一样的新Xenobot。然后这些新的Xenobot可再次出去寻找干细胞,并建立自己的“副本”,就这样周而复始,不断复制。

最终结果显示,培养皿中,Xenobot3.0实现了4次自我复制。

“这些细胞拥有青蛙的基因组,但它们没有变成蝌蚪,而是拥有超强的可塑性,其复制方式与科学上已知的任何动物或植物都不同。同时,这些具有‘集体智慧’和可塑性的细胞团完成了令人惊讶的任务。” 这项研究的作者之一,塔夫茨大学的Michael Levin教授表示,“如果我们知道如何告知细胞团使其按我们的想法行事,最终这将帮助我们实现再生医学的突破,为对抗创伤、出生缺陷、癌症与衰老找到解决方案”。

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