PNAS：首次利用青蛙细胞构建出活的机器人
来源：本站原创 2020-01-24 17:24
2020年1月24日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学的研究人员报道从青蛙胚胎中提取出的细胞经塑造后呈现出新的形状，并且在一种不完全是有机体也不完全是机器的结构中发挥着独特的功能。相关研究结果于2020年1月13日在线发表在PNAS期刊上，论文标题为“A scalable pipeline for desi
2020年1月24日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学的研究人员报道从青蛙胚胎中提取出的细胞经塑造后呈现出新的形状，并且在一种不完全是有机体也不完全是机器的结构中发挥着独特的功能。相关研究结果于2020年1月13日在线发表在PNAS期刊上，论文标题为“A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms”。
澳大利亚阿德莱德大学认知生物学家Pamela Lyon（未参与这项新的研究）在发送给《科学家》杂志的电子邮件中说道，“我对这篇论文的第一反应是：天啊，它具有巨大的潜力。”
这些研究人员设计并构建出可以在培养皿底部移动的异形机器人（xenobot）。他们还设计了可以操纵和运输其他物体的结构。当几个这样设计出的结构放在一起时，它们开始表现出“集体行为”，比如彼此环绕或暂时结合在一起。
论文共同作者、塔夫茨大学发育生物学家Michael Levin说，“这只是冰山一角。这样做的目的不是要制造青蛙细胞机器人。这样做的目的最终是要了解有关基因组与解剖学之间关系的重大问题，并推动再生医学、机器人技术和人工智能的发展。”
进化机器人技术（evolutionary robotics）是一种新策略，一些科学家使用它来探索有关生物系统功能的问题，而另一些科学家则使用它来设计和测试可能的机器人结构的能力。论文通讯作者、佛蒙特大学研究进化机器人技术的计算机科学家Josh Bongard及其团队首先开始与Levin领导的研究团队合作。当他们了解彼此的研究工作后，Bongard与Levin团队分享了利用他的算法构建出的几种简单的基于细胞的机器人设计。
Bongard的设计仅是理论上的，但令他吃惊的是，Levin实验室的显微外科专家兼科学家Douglas Blackiston采纳了其中的一种结构设计，并且使用青蛙胚胎细胞将它构建出来。
Bongard说，在此之前，“我们还没有意识到他们能够真正采用计算机设计的蓝图并在现实中将它构建出来。这确实改变了这个研究项目的重点。”
Levin说，问题变成了：“通常会构成青蛙的细胞还能构建什么？”
Bongard团队开发出一种进化算法。它的任务是确定来自青蛙的心脏细胞和皮肤细胞应采取何种形状，以便改善在培养皿底部的移动。
Bongard说：“这个想法有点像是一群人在划船，但他们都是以自己的频率划船。你能设计船的形状并将人放在船上，以使船沿直线方向移动吗？”
首先，这种算法产生一系列由两个构件（building block）---来自青蛙胚胎的能够收缩的心脏细胞和来自青蛙胚胎的保持被动状态的皮肤细胞---组成的随机形状。它随后执行它自己版本的自然选择。它开始在模拟中测试这些设计，以观察哪些设计最善于完成指定的任务。无效的设计将被移除。最有效的设计会在不同的环境中进行进一步的模拟，从而允许这种算法选择出最可靠的设计，即那些能够在多种环境中维持所需的功能并可抵抗随机噪声的设计。
其次，Levin团队从青蛙胚胎中提取细胞，让它们“成堆”生长，并最终将它们塑造成这种算法选择出的形状，就像雕刻家雕琢雕像一样，只是这个雕像是由活细胞而不是由石头制成的。
Levin认为在未来，这样的结构可能用来制造能够自我修复的机器，就像遭受损时可以自我修复的组织一样。这些机器可能在海洋中收集微塑料、改善药物递送或开发全新的疾病治疗方法。
Levin说，除了这些实际应用外，发育生物学家还将对这些结构可以教会我们有关细胞如何组装的知识感兴趣。
尽管如此，这项新的研究仍处于早期阶段。美国新墨西哥大学计算机科学家David Ackley（未参与这项新的研究）说，“这是出色的概念验证，证实了数学“软机器人（soft robot）”的人工进化如何可以指导功能性生物学系统的设计。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Sam Kriegman et al. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS, 2020, doi:10.1073/pnas.1910837117.
2.Algorithm Designs Robots Using Frog Cells
https://www.the-scientist.com/news-opinion/algorithm-designs-robots-using-frog-cells-66961
图片来自Sam Kriegman。
澳大利亚阿德莱德大学认知生物学家Pamela Lyon（未参与这项新的研究）在发送给《科学家》杂志的电子邮件中说道，“我对这篇论文的第一反应是：天啊，它具有巨大的潜力。”
这些研究人员设计并构建出可以在培养皿底部移动的异形机器人（xenobot）。他们还设计了可以操纵和运输其他物体的结构。当几个这样设计出的结构放在一起时，它们开始表现出“集体行为”，比如彼此环绕或暂时结合在一起。
论文共同作者、塔夫茨大学发育生物学家Michael Levin说，“这只是冰山一角。这样做的目的不是要制造青蛙细胞机器人。这样做的目的最终是要了解有关基因组与解剖学之间关系的重大问题，并推动再生医学、机器人技术和人工智能的发展。”
进化机器人技术（evolutionary robotics）是一种新策略，一些科学家使用它来探索有关生物系统功能的问题，而另一些科学家则使用它来设计和测试可能的机器人结构的能力。论文通讯作者、佛蒙特大学研究进化机器人技术的计算机科学家Josh Bongard及其团队首先开始与Levin领导的研究团队合作。当他们了解彼此的研究工作后，Bongard与Levin团队分享了利用他的算法构建出的几种简单的基于细胞的机器人设计。
Bongard的设计仅是理论上的，但令他吃惊的是，Levin实验室的显微外科专家兼科学家Douglas Blackiston采纳了其中的一种结构设计，并且使用青蛙胚胎细胞将它构建出来。
Bongard说，在此之前，“我们还没有意识到他们能够真正采用计算机设计的蓝图并在现实中将它构建出来。这确实改变了这个研究项目的重点。”
Levin说，问题变成了：“通常会构成青蛙的细胞还能构建什么？”
Bongard团队开发出一种进化算法。它的任务是确定来自青蛙的心脏细胞和皮肤细胞应采取何种形状，以便改善在培养皿底部的移动。
Bongard说：“这个想法有点像是一群人在划船，但他们都是以自己的频率划船。你能设计船的形状并将人放在船上，以使船沿直线方向移动吗？”
首先，这种算法产生一系列由两个构件（building block）---来自青蛙胚胎的能够收缩的心脏细胞和来自青蛙胚胎的保持被动状态的皮肤细胞---组成的随机形状。它随后执行它自己版本的自然选择。它开始在模拟中测试这些设计，以观察哪些设计最善于完成指定的任务。无效的设计将被移除。最有效的设计会在不同的环境中进行进一步的模拟，从而允许这种算法选择出最可靠的设计，即那些能够在多种环境中维持所需的功能并可抵抗随机噪声的设计。
其次，Levin团队从青蛙胚胎中提取细胞，让它们“成堆”生长，并最终将它们塑造成这种算法选择出的形状，就像雕刻家雕琢雕像一样，只是这个雕像是由活细胞而不是由石头制成的。
Levin认为在未来，这样的结构可能用来制造能够自我修复的机器，就像遭受损时可以自我修复的组织一样。这些机器可能在海洋中收集微塑料、改善药物递送或开发全新的疾病治疗方法。
Levin说，除了这些实际应用外，发育生物学家还将对这些结构可以教会我们有关细胞如何组装的知识感兴趣。
尽管如此，这项新的研究仍处于早期阶段。美国新墨西哥大学计算机科学家David Ackley（未参与这项新的研究）说，“这是出色的概念验证，证实了数学“软机器人（soft robot）”的人工进化如何可以指导功能性生物学系统的设计。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Sam Kriegman et al. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS, 2020, doi:10.1073/pnas.1910837117.
2.Algorithm Designs Robots Using Frog Cells
https://www.the-scientist.com/news-opinion/algorithm-designs-robots-using-frog-cells-66961
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