Xenobots 2.0:下一代活体机器人

这个团队现在已经创造出了用单个细胞自组装身体的生命形式，不需要肌肉细胞的运动，甚至展示了可记录记忆的能力。新一代的Xenobots移动速度更快，能在不同的环境中导航，寿命也比第一版更长，而且它们仍然能够团队合作，在受到伤害时也能自我修复。

在《Xenobots 1.0》中，毫米大小的机器人是通过人工放置组织和外科手术塑造青蛙的皮肤和心脏细胞来产生运动的“自顶向下”方式构建的，与之相比，下一个版本的Xenobots采用的是“自底向上”的方式。塔夫茨从胚胎干细胞生物学家的非洲青蛙非洲爪蟾蜍光滑的(因此得名“Xenobots”),并允许他们自组装和成长成球状体,几天后的一些细胞分化产生纤毛,细小的毛发状预测来回移动或旋转在一个特定的方式。

与人工雕刻的心脏细胞不同，原始的Xenobots可以通过自然的有节奏的收缩来快速移动，而纤毛赋予新的球形机器人“腿”，让它们在一个表面上快速移动。在青蛙或人类身上，纤毛通常会出现在粘液表面，比如肺部，以帮助排出病原体和其他外来物质。在Xenobots上，它们被用来提供快速移动。

“我们正在见证细胞群体惊人的可塑性，它们构建了一个基本的新‘身体’，与它们默认的身体完全不同——在这个例子中，是一只青蛙——尽管拥有完全正常的基因组，”生物学杰出教授、塔夫茨大学艾伦发现中心主任、该研究的通讯作者迈克尔·莱文说。在青蛙的胚胎中，细胞相互合作创造出蝌蚪。在这里，撇开那个背景，我们看到细胞可以重新利用它们的基因编码硬件，比如纤毛，来实现运动等新功能。令人惊讶的是，细胞可以自发地扮演新的角色，创造新的身体计划和行为，而不需要长时间的进化选择。”

“在某种程度上，Xenobots的构造很像传统的机器人。只有我们使用细胞和组织，而不是人工成分来建造形状和创造可预测的行为。资深科学家Doug Blackiston，他和研究技术人员Emma Lederer共同撰写了这项研究。“在生物学方面，这种方法帮助我们理解细胞在发育过程中如何相互交流，以及我们可能如何更好地控制这些相互作用。”

当塔夫茨大学的科学家们创造出物理有机体的时候，UVM的科学家们正忙于运行计算机模拟，模拟Xenobots的不同形状，看看它们是否会表现出不同的行为，无论是单独的还是在群体中。使用深绿色超级计算机由计算机科学家和机器人专家乔希·邦加德(Josh Bongard)和山姆·克里格曼(Sam Kriegman)领导的团队，使用一种进化算法在数十万个随机环境条件下模拟了Xenbots。这些模拟被用来识别最能群体性工作的Xenobots，从而在一个粒子场中收集成堆的碎片

“我们知道这个任务，但对人们来说，一个成功的设计应该是什么样的，这一点都不明显。这就是超级计算机的用武之地，它搜索空间中所有可能的Xenobot群体，以找到工作做得最好的群体，”邦加德说。“我们希望Xenobots能够做一些有用的工作。现在我们给他们一些简单的任务，但最终我们的目标是开发一种新的生活工具，例如，可以清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。”

事实证明，与去年的模型相比，新的Xenobots在垃圾收集等任务上速度更快，表现更好，它们会成群结队地扫过培养皿，收集更多的氧化铁颗粒。它们也可以覆盖大面积的平面，或者穿过狭窄的毛细血管。

这些研究还表明，硅模拟在未来可以优化生物机器人的额外特征，以实现更复杂的行为。Xenobot升级中增加的一个重要功能是记录信息的能力。

现在与记忆

机器人技术的一个核心特征是能够记录记忆，并利用这些信息来修改机器人的动作和行为。考虑到这一点，塔夫茨大学的科学家们利用一种名为EosFP的荧光报告蛋白设计了具有读写能力的Xenobots，以记录一点信息。EosFP通常会发出绿色的光。然而，当暴露在390nm波长的光下时，这种蛋白质会发出红光。

青蛙胚胎的细胞被注射了编码EosFP蛋白的信使RNA，然后干细胞被切除以创造Xenobots。成熟的Xenobots现在有一个内置的荧光开关，可以记录390nm左右的蓝光照射。

研究人员通过让10个Xenobots在一个表面上游泳，其中一个点被一束390nm的光照亮来测试其记忆功能。两个小时后，他们发现三个机器人发出了红灯。其余的仍然保持原来的绿色，有效地记录了机器人的“旅行体验”。

这种分子记忆原理的证明在未来可以扩展到不仅检测和记录光，还可以检测和记录放射性污染、化学污染、药物或疾病状况。进一步的记忆功能工程可以使记录多个刺激(更多的信息位)或允许机器人释放化合物或改变行为的刺激的感觉。

邦加德说:“当我们为机器人带来更多的能力时，我们可以使用计算机模拟来设计更复杂的行为和执行更复杂任务的能力。”“我们可以设计它们，不仅能报告环境条件，还能修改和修复环境条件。”

Xenobot,治愈自己

“生物材料我们正在使用的功能有很多，我们希望有一天能在机器人上实现——细胞可以像传感器、运动电机、通信和计算网络，以及存储信息的记录设备。”Levin说。“异种机器人和未来版本的生物机器人可以做到金属和塑料机器人难以做到的一件事:随着细胞的生长和成熟，构建自己的身体结构，如果受损，则进行修复和自我修复。愈合是生物体的一种自然特征，它被保存在Xenobot生物学中。”

新的Xenobots非常擅长愈合，在受伤后的5分钟内，可以缝合一半厚度的严重全长撕裂伤。所有受伤的机器人都能够最终治愈伤口，恢复形状，并像以前一样继续工作。

莱文补充说，生物机器人的另一个优点是新陈代谢。与金属和塑料机器人不同，生物机器人的细胞可以吸收和分解化学物质，并像小型工厂一样合成和排泄化学物质和蛋白质。合成生物学的整个领域——主要集中在对单细胞生物进行重新编程以产生有用的分子——现在可以在这些多细胞生物中加以利用

和最初的Xenobots一样，升级后的bots可以在胚胎能量储备下存活10天，并且在没有额外能量来源的情况下运行它们的任务，但如果保持在营养“汤”中，它们也可以全速运行好几个月。

这项研究发表在科学的机器人．