去年，来自塔夫茨大学(Tufts University)和佛蒙特大学(UVM)的一个由生物学家和计算机科学家组成的团队用青蛙的细胞创造了一种名为“异种机器人”(Xenobots)的新型微型自修复生物机器。这种机器可以四处移动，推动有效载荷，甚至在一群其他异种机器人面前表现出集体行为。

准备迎接Xenobots 2.0吧。

这个团队现在已经创造出了从单个细胞自我组装身体的生命形式，不需要肌肉细胞移动，甚至还展示了可记录记忆的能力。新一代的外星机器人移动速度更快，在不同的环境中航行，寿命也比第一版更长，而且他们仍然有能力在团队中合作，并在受损时自我修复。这项新研究的结果发表在今天的《科学机器人》杂志上

Xenobots 1.0版本采用了“自上而下”的方法，通过手工放置组织和外科整形青蛙皮肤和心脏细胞来产生运动。相比之下，Xenobots的下一个版本采用了“自下而上”的方法。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。原始的外星机器人使用手工雕刻的心脏细胞，这些细胞自然有节奏地收缩，让它们四处乱跑，而纤毛赋予了新的球形机器人“腿”，让它们在表面上快速移动。在青蛙身上，或者在人类身上，纤毛通常会出现在粘液表面，比如肺部，帮助排出病原体和其他外来物质。在异种机器人上，它们被用来提供快速移动。

“我们正在见证非凡的集体可塑性的细胞组织,构建一个基本的新“身体”是截然不同的默认——在这种情况下,一只青蛙——尽管有完全正常的基因组,”Michael Levin说特聘教授的生物学和塔夫茨大学的艾伦探索中心主任和该研究的通讯作者。在青蛙胚胎中，细胞相互协作形成蝌蚪。在这里，除去这个背景，我们看到细胞可以重新利用它们的遗传编码硬件，比如纤毛，来实现新的功能，比如运动。令人惊讶的是，细胞可以自发地承担新的角色，创造新的身体计划和行为，而不需要对这些特征进行长时间的进化选择。

“在某种程度上，外星机器人的构造很像传统机器人。只有我们使用细胞和组织，而不是人造组件来构建形状和创造可预测的行为。”资深科学家道格·布莱克斯顿说。“在生物学方面，这种方法帮助我们理解细胞在发育过程中相互作用时是如何沟通的，以及我们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大学的科学家们正忙着运行计算机模拟，模拟不同形状的外星机器人，看看它们是否会表现出不同的行为，无论是单独的还是群体的。该团队由计算机科学家和机器人专家Josh Bongard领导，使用UVM佛蒙特大学先进计算核心的深绿色超级计算机集群，在数十万随机环境条件下使用进化算法。这些模拟被用来识别最能够成群结队地在粒子场中收集大量碎片的外星机器人。

“我们知道这个任务，但对于人们来说，一个成功的设计应该是什么样子并不明显。这时，超级计算机就会出现，搜索所有可能的外星机器人群体，寻找工作做得最好的群体。”邦加德说。“我们希望外星机器人做有用的工作。现在我们给它们的任务很简单，但最终我们的目标是开发一种新型的生活工具，比如，清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。”

事实证明，新的外星机器人在诸如垃圾收集等任务上比去年的模型要快得多，也做得更好。它们成群结队地工作，扫过一个培养皿，收集更大堆的氧化铁微粒。它们也可以覆盖大而平的表面，或在狭窄的毛细血管中移动。这些研究还表明，在未来，硅模拟可以优化生物机器人的附加功能，以适应更复杂的行为。Xenobot升级中添加的一个重要特性是记录信息的能力。

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使用这些信息来修改机器人的行动和行为。考虑到这一点，塔夫茨大学的科学家们设计了具有读写能力的外星机器人，使用一种名为EosFp的荧光报告蛋白来记录一点信息，这种蛋白通常会发出绿色的光。然而，当暴露在390nm波长的光线下时，蛋白质却发出红光。

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制造异种机器人。成熟的Xenobots现在有一个内置的荧光开关，可以记录蓝光照射390nm左右的情况。

研究人员测试了记忆功能，让10个异种机器人在一个表面上游动，其中一个点被390纳米的光束照亮。两小时后，他们发现有三个机器人发出红光。其余的则保持原来的绿色，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探测和记录光，以及放射性污染、化学污染物、药物或疾病的存在。对记忆功能的进一步设计可以记录多种刺激(更多信息位)，或允许机器人释放化合物或根据对刺激的感觉改变行为。

邦加德说:“当我们赋予机器人更多能力时，我们就可以利用计算机模拟设计出更复杂的行为和执行更复杂任务的能力。”“我们的设计不仅可以报告所处环境的状况，还可以修改和修复所处环境的状况。”

Xenobot,治愈自己

莱文说:“我们正在使用的生物材料有许多特性，我们希望有一天能应用到机器人身上——细胞可以像传感器、马达一样运动、通信和计算网络，还可以记录设备来存储信息。”“有一件事，外星机器人和未来版本的生物机器人可以做到，他们的金属和塑料同行很难做到的是，随着细胞的生长和成熟，构建自己的身体计划，然后在它们受到损伤时进行自我修复和修复。愈合是生物体的自然特征，它被保存在外星机器人生物学中。”

新的异种机器人非常善于愈合伤口，可以在5分钟内愈合一半厚度的严重全长撕裂伤。所有受伤的机器人最终都治愈了伤口，恢复了形状，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势是新陈代谢。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出化学物质和蛋白质。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。

与最初的异种机器人一样，升级后的机器人可以在胚胎时期的能量储存中存活10天，并在没有额外能源的情况下运行任务，但如果保持在营养“汤”中，它们也可以全速运行好几个月。

科学家们真正想要的东西

迈克尔·莱文(Michael Levin)在TED演讲中介绍了一段关于生物机器人的精彩描述，以及我们可以从它们身上学到什么(go.ted.com/michaellevin)(链接将于2021年3月31日东部时间下午2点直播)

莱文教授在他的TED演讲描述不仅潜力非凡的微型生物机器人执行有用的任务环境中或潜在的治疗应用程序,但他也指出这可能是最有价值的好处什么研究——利用机器人理解单个细胞聚集在一起,交流,和专门创建一个更大的生物,它们在自然界中创建一个青蛙或人类。这是一种新型的系统模式，可以为再生医学提供基础。

外星机器人和他们的后继者也可以提供关于多细胞生物如何从古老的单细胞生物中产生的见解，以及生物有机体中信息处理、决策和认知的起源。

认识到这一技术的巨大前景，塔夫茨大学和佛蒙特大学成立了计算机设计生物研究所(ICDO)，并将在未来几个月正式启动，该研究所将汇集各大学和外部资源，创造具有越来越复杂能力的活体机器人。