活体机器人：科学家终于用机器人制造出活物

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  量子运行远见
• 2022 年 12 月 8 日

洞察总结

科学家们正在试验用生物组织而不是金属和塑料制造机器人。 这些活体机器人的潜力是巨大的——从药物开发到治疗再到纳米机器人。 这些杂交生物不仅是“活的”，而且它们也是可编程的。

生活机器人上下文

2020年，美国佛蒙特大学和塔夫茨大学的研究人员利用非洲爪蛙的细胞创造了活体机器人（非洲爪蟾）。这些被称为 Xenobots 的活机器人展现出了非凡的能力。它们在受损时可以自我修复，类似于自然有机体的愈合过程。此外，一旦任务完成，它们就会解体，这反映了有机生物的生命周期。

这些 Xenobot 的尺寸不超过 1 毫米。他们的设计过程涉及在超级计算机上运行的复杂算法，这实际上是在“进化”它们。该算法从各种三维配置开始，使用 500 到 1,000 个青蛙皮肤和心脏细胞。每种配置都代表了 Xenobot 的潜在设计。然后，超级计算机对每种设计进行虚拟测试，评估它们执行基本功能的有效性，例如响应心脏细胞的节律性收缩而移动。

最成功的设计导致了下一代原型的开发。这些原型经过了严格的测试，以评估其在一系列任务中的效率。心脏细胞充当微型发动机，通过收缩和放松来推动机器人。这种生物机制使 Xenobot 能够自主移动。这些细胞储存了足够的生物能量来维持机器人一周到十天的生命。

破坏性影响

2021 年，该团队增强了他们的 Xenobot 原型，使其速度更快、更有效地在不同环境中导航并具有更长的使用寿命。 这些新的 Xenobot 仍然可以成群结队地一起工作，并且在它们受到伤害时可以自我修复。 在构建 Xenobots 1.0 的“自上而下”方法中，通过青蛙皮肤和心脏细胞的组织放置和手术整形，制造出毫米大小的自动机。 下一个版本采用更有效的“自下而上”方法。

塔夫茨大学的生物学家团队从非洲青蛙胚胎中提取的干细胞开始。 然后让这些细胞发育并长成球体，其中一些细胞在几天后分化产生纤毛。 （纤毛是微小的突起，看起来像头发，可以来回移动或以特定方式旋转。） 

最初的 Xenobots 使用自然产生的心脏细胞来创造快速运动，但新的球形机器人从纤毛中获得运动。 在青蛙和人类中，纤毛通常存在于肺部等粘液表面，有助于清除病原体和其他异物。 然而，在 Xenobots 上，它们已被重新用于提供在表面上的快速移动。

与 2020 年的模型相比，新的 Xenobots 在垃圾收集等任务上更快更好。 它们可以成群结队地一起工作，扫过培养皿并收集更多的氧化铁颗粒。 它们还可以覆盖大的平面或穿过狭窄的毛细管。 这些研究表明，这些生物机器人在未来能够做出更复杂的行为。 例如，机器人技术的主要特征之一是它们可以记住并使用过去的信息来改变它们的行为方式。 碰巧的是，最新的 Xenobot 升级包括另一个重要功能：记录数据的能力。

此外，由于它们的独特功能，科学家们表示，未来版本的机器人可能会用于清理海洋中的微塑料污染、消化有毒物质、在体内输送药物或去除动脉壁上的斑块等任务。

活体机器人的意义

活体机器人的更广泛影响可能包括： 

• 活体机器人被注射以通过其自我修复特性来治疗阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等神经系统疾病。
• 活体机器人测试细胞对不同药物和剂量的反应，加快药物开发并使其更安全。
• 用于破坏微塑料和其他纳米颗粒的活体机器人。
• 科学家们利用不同的活体机器人群体，对再生医学进行更深入的细胞和生物体研究。
• 关于活体机器人是否应该被归类为机器或具有权利的生物的争论越来越多。
• 制药和医疗保健企业正在转向采用活体机器人技术进行靶向药物输送，从而实现更精确、更有效的治疗。
• 环保机构利用活机器人进行生物修复过程，有效清洁受污染的水体和土壤。
• 政府制定道德准则和法规来监督活机器人的使用，确保在各个领域负责任的开发和应用。

需要考虑的问题

• 活体机器人还有哪些其他方式可以改进医学研究？
• 您认为活体机器人将如何应用于其他行业？