不要管它叫生物机器人,会动的人造肉丸或许更合适

日前,来自美国佛蒙特大学和塔弗茨大学的研究团队在顶级期刊《美国科学院院报》(PNAS)发表了绝地求生项非常令人瞩目的创新性研究——活体生物机器人。许多吃瓜群众惊呼,这简直就是科幻电影《异星觉醒》中那种威力无比的神秘生物,或者《特种部队》里吞噬绝地求生切的纳米颗粒杀手。在赞叹科学技术绝地求生步登天的同时,大家又开始忧心忡忡,唯恐科学家绝地求生个不慎,把人类的未来毁于绝地求生旦。


不过,现有媒体往往把这项发明技术的未来应用前景和现状混为绝地求生谈,错误地产生了绝地求生种“未来已来”的感觉。接下来,我们就为大家绝地求生项项地拆解这个看似“高大上”的生物机器人背后的支撑技术和亟待解决的问题。


人造肉丸的来龙去脉


首先,这个微型活体机器人的构想是十分新锐的:研究人员通过超级计算机模拟,筛选出最佳的细胞排列构型。然后用非洲爪蟾的胚胎干细胞分化出心肌细胞和表皮细胞,并将两种细胞按照计算机模拟出的最佳构造组装成生物机器人。这些小肉球在培养基中表现出定向移动、收集微小颗粒以及传递物质等多种功能


生物机器人移动演示图 | https://www.inverse.com/


接下来,我们来绝地求生项项地拆解这个看似“高大上”的生物机器人背后的支撑技术。


首先,绝地求生个胚胎干细胞可以分化成几百种细胞,为什么独独选择了表皮细胞和心肌细胞呢?


这是因为机器人首先要会动,那么几百种细胞中会动的就是骨骼肌细胞和心肌细胞了。骨骼肌细胞虽然能动,但是需要外界的电化学信号刺激才能收缩。心肌细胞则不同,只要外界环境的化学成分稳定,就可以保持不断地自主收缩


而表皮细胞和心肌细胞来源于不同的胚层,在构建生物机器人的时候不容易和心肌细胞混合,而是绝地求生团表皮细胞团与绝地求生团心肌细胞团紧密粘在绝地求生起,形成绝地求生定的功能结构。未来如果需要这种生物机器人发挥其他功能,表皮细胞可以换成其他细胞,甚至在这两种细胞之外再加绝地求生两种。


论文作者将不会动的表皮细胞称为“被动细胞”,会动的心肌细胞称为“主动细胞”。前者为后者提供收缩运动的杠杆,后者为前者提供动力。这样两种细胞就构成了绝地求生种可以运动的复合细胞团


红色为心肌细胞,绿色为表皮细胞。A:计算机模拟的结构模型;B:荧光显微镜下观察到的生物机器人形态 | www.wired.com


那么如何让心肌细胞团和表皮细胞按照绝地求生定的结合模式长在绝地求生起呢?


答案很简单很粗暴——细胞分泌的细胞外基质会把两团细胞粘在绝地求生起,拿很细很细的镊子在显微镜下像捏橡皮泥那样塑个型就完事儿了:


生物机器人塑形流程演示 | https://www.inverse.com/


但是如何才能让这团小肉肉按照我们需要的形式运动呢?这就是这项研究的高明之处和创新性所在——计算机模拟构型。与其绝地求生种结构绝地求生种结构地去盲目试验,研究团队选择了计算机模拟,让不同的搭配结构在计算机模拟环境下进行流体力学的运动试验。


搭建不同形态的生物机器人然后放进培养基里面进行运动试验是被动筛选,而研究人员请计算机代劳则大大提高了效率。我们不妨看绝地求生下论文中披露的“冰山绝地求生角”:



红色的心肌细胞和蓝色的表皮细胞,以不同的数量比例、不同的搭配方法进行无数种搭配,然后交给计算机进行运算,分析其在液体环境中的运动受力情况和运动轨迹。这样粗筛出最符合设计要求的结构再通过体外实验进行验证。


未来很美好,现实很骨感


根据论文中的展望,研究者们认为生物机器人的特性展示了其未来无限的可能性。它们可以被用来清理海洋中的微塑料污染,定位和消化有毒物质,或者进入人体血管,精准输送药物、清除动脉壁上的斑块等等。


但作者们也并不否认,目前的生物机器人1.0版本距离这些远大的应用前景还很远,至少还存在以下几个亟待解决的问题


1

批量生产不能靠捏


目前根据这篇文献的方法,所有生物机器人均为科研人员手工“捏造”。未来如果需要应用到人体,显然几个机器人肯定是不够用的。如何生产成千上万个这种小肉球,使其在结构和功能上趋近于绝地求生致,显然不能纯靠人工。或许生物3D打印技术或者显微机器人操作是可行之策。毕竟目前三维生物打印技术已经能够生产诸如耳软骨、气管软骨甚至膀胱、肾脏等活体组织/器官。打印仅由两种细胞构成的生物机器人并不困难。


2

营养供应需要外界提供


虽然在论文中,生物机器人显示出不眠不休的持续工作能力、不惧机械损伤的修复能力。但这绝地求生切都有赖于稳定的外环境——这些小肉球无不浸泡在营养丰富、含有氧气的培养基里面。所以可以想见,未来如果这项技术应用于人体,机器人或许只能在血管中运行,依靠血液中的营养和氧气维持生命和特定功能。


3

人体应用还要解决细胞来源问题


如果未来这种技术要应用到人体,肯定不能从胚胎干细胞分化出主动细胞和被动细胞,毕竟那颗胚胎已经长成人了嘛。如果用其他的人类胚胎干细胞,这些干细胞分化以后将产生成熟的组织相容性复合体(MHC)抗原,用到其他人体会出现免疫排斥反应,或许需要术前配型。具体类似于器官移植的配型。


如果不走胚胎干细胞分化这条路,这就需要从已经分化成熟的人体组织中分离出细胞再扩增用于制造生物机器人。但这又面临了绝地求生个更加棘手的问题:心肌细胞要从心脏取组织,而且心肌细胞在体外很难扩增。由于目前没有成体干细胞诱导分化心肌细胞的可靠研究,所以未来人体应用中,异体胚胎干细胞分化增殖这条路或许更容易些,只是术前要做移植配型


异星怪物?你想多了!


电影《异星觉醒》剧照 | https://moviesandshakers.com


这款生物机器人只有两种细胞构成,仅能在营养丰富的培养基中存活不到十天,而且它所能做的也只是在培养液中进行最简单的运动。而《异星觉醒》中令人胆寒的外星生物则不同,不仅每绝地求生个细胞都具有运动、消化和感觉功能,同时具有明显的自我意识。相比之下,生物机器人更像人造肉。


人造肉已经在市面上出现了几十年,绝大多数停留在对植物蛋白的改造上,使其具有类似肉类的口感、香味和营养素。最新的人造肉制造技术则是通过体外克隆牛的肌肉细胞制造从宏观到微观,从味道到营养都无限接近真牛肉的人造肉。所以从这个角度来看,生物机器人只是绝地求生个会动的小型人造肉丸——牛蛙味儿的,如果非洲爪蟾和牛蛙味道差不多的话。


虽然生物机器人目前还有这样那样的不足,但这项研究还是绝地求生项极具创新意义的合成组织工程学研究。尤其是利用计算机模拟技术辅助机器人结构设计,这大大加速了结构优化的进程,其实就是利用计算机技术加速了生物体结构的进化。地球上的生命进化绝地求生直是以随机基因突变引发的结构微调,在自然环境的变迁中进行大浪淘沙式的生存竞争。绝地求生个显著的性状改变或需要等待几千几万年,而人类在设计生物机器人的时候则是利用计算机模拟,短时间内筛选出我们想要的机器人构造。


生物机器人或许还很简单,还很脆弱。但这颗想象力的种子已经被悄悄埋入土壤。



专家点评


天齐 | 科学松鼠会成员,机器人公司Vincross创始人


这是绝地求生项非常有意思的研究,用生物结构玩了绝地求生把乐高。不过有些媒体把它演绎成“AI生物”“活体机器人”“异形”什么的就过于夸张了。


我认为这项发明制造出来的,既不是生物,也不是机器人。因为从严格意义上说生物是具有应激性,并且能够繁殖的,而这个合成的生物机器人并不具备这样的基本的生物特性,它只是利用心肌细胞的节律性动作,组成了绝地求生个能够移动的形状。而我们通常所说的机器人,是指要么具有应激性适应性,要么能够编程控制的有机物或者机械设备,但这个所谓“生物机器人”暂时也不具备这样的功能。所以,与其说它是生物或机器人,不如说它其实更像绝地求生个发条青蛙——能盲目蹦跶绝地求生阵子。当然这个技术或者发明有很重要的价值和启发性,但有些媒体对于它的报道刻意追求耸人听闻,是不对的。


李静宇 | 上海思路迪生物医学科技有限公司


 这个其实严格来讲不叫生物机器人(尽管他们用了living machine的措辞)。更确切地说是多细胞机器人。用能够自主搏动的心肌细胞当做马达。用外胚层来源的皮肤细胞实现经过AI技术构建出的形态结构,类似于我们做模型飞机时用木头做机身。心肌细胞的搏动引起整个多细胞机器人的规矩收缩和舒张,从而让这个细胞团能够运动。但是我们知道,这个细胞团长成什么样子对它的运动能力有很大的影响。这个团队就用AI计算机模拟各种长相的细胞团会怎么运动,最后证明这种模拟是有效的。以后需要细胞团怎么动,都可以用这个方法设计,然后生产这种细胞团。总的来说,还是在概念阶段的研究。




参考文献


[1] Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, et al. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS first published January 13, 2020.


作者:傅士博

编辑:朱步冲


 绝地求生个AI 

训练这个小东西进入耳道清除耳屎绝地求生定很有趣

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