《迷信·机器人》近期发布的一篇论文介绍了一种新颖的机器人——Xenobot。这种机器人是由胚胎干细胞培养而成的，能够在人类的控制下执行多种任务，例如游动、清理垃圾、指示方向等。

尽管许多人认为只有“大家伙”或“钢铁之躯”才能被称为机器人，但Xenobot却完全不同。它是一个柔软的生命体小球，能够快速移动，并在接收到指令后自主完成任务。实际上，Xenobot并非单一的小球，而是由无数个小型机器人组成的集群机器人。科幻小说《云端杀机》描绘了集群机器人的设计理念及其强大的功能：通过有机组织的方式，集群机器人可以完成令人惊讶的任务。

研究人员认为，集群机器人的理念可能非常适合活细胞的应用。论文作者、塔夫茨大学的迈克·雷凌教授团队指出，活细胞已经具备许多传感器、效应器和信号/计算电路，这些特性可以通过重新应用，实现新的功能。

传统机器人通常使用硅基材料，而Xenobot则属于碳基机器人。通过利用生物原有的特性，碳基机器人有望迎来新的发展机遇。

干细胞还有“未发掘”的潜能

迈克·雷凌教授认为，细胞的潜能并未被充分挖掘。他提出，人类可以创造完全由生物材料制成的机器人，而不仅仅是依靠人工合成的部件来赋予机器人特定的功能。细胞拥有自组织的能力，这是一种常被忽视的重要特性。科学家们通过研究细胞的自组织过程，使细胞能够像微型生物杂交鱼那样行走和游泳，甚至借助趋光性让黄貂鱼按需行动。然而，这些设计思路仍然基于传统的机器人思维，即依赖具体器官并通过合成元件赋予机器人移动能力。

实际上，细胞之间存在自身的组织系统，例如细胞膜上的大量受体，它们能够接收各种形式的信号，包括声、光、电、力和化学信号，并将这些信息传递给细胞内部进行反应。因此，人类对细胞世界的探索受到了自身认知的局限。

为了展示细胞的这种“超能力”，迈克团队选择使用爪蟾的胚胎干细胞。通过显微注射技术，这些细胞能够自我组织成特定的形态，这得益于研究人员对胚胎干细胞信号图谱的深入理解。例如，一堆细胞能够自行组织成肝脏的形状。发育生物学长期致力于揭示基因、调控中心在驱动未分化前体细胞形成组织时的信号级联反应。在前人的研究基础上，研究团队从爪蟾胚胎的未分化外胚层区域获取干细胞，并在特定条件下培养4天后，3100多个细胞形成了一个直径约0.5毫米的小球，再过3天，这些小球能够以每秒0.1毫米的速度在溶液中游动。

启动生命“原力”，碳基机器人应运而生

这样的小球之所以被视为机器人，是因为它能够执行指令并自主工作。为了使机器人能够运行，研究人员投入了大量精力。然而，这项研究表明，即使不使用神经细胞和肌肉细胞，也可以制造出能够工作的机器人。研究人员通过一种神经元标记实验来寻找Xenobot中的神经系统，但发现其运行过程中并无神经细胞的信号参与。

动力系统采用了纤毛。通过对纤毛生成机制的研究，研究人员发现一种名为Notch受体的胞内结构域与纤毛的数量有关，从而能够控制Xenobot的纤毛密度。有了纤毛，Xenobot就像装上了马达驱动的螺旋桨。当它们被放置在一个覆盖着氧化铁颗粒的培养皿中时，它们能够一起清扫培养皿表面，迅速收集大量氧化铁颗粒，从而执行清理垃圾的任务。研究团队相信，随着进一步开发，这种新型生命机器甚至可用于清除海洋中的微塑料或土壤中的污染物。

由此可见，科学家们正在探索一条有效利用生命“原力”制造简易碳基机器人的路径。当然，目前这些机器人的功能仍处于初级阶段。

其他优点令人赞叹

Xenobot生产简便的特点使其在实际应用中的门槛大大降低。它们无需外部能源支持、可以自行分解、记录行驶路径、轻松穿越障碍物……这些优点令人称赞。

“Xenobot不需要外部食物来源，它们依靠早期胚胎爪蟾组织中存在的母体卵黄进行代谢。”论文中提到，当Xenobot寿命结束时，它们会自行分解并退化，最终实现组织的崩溃。

通过向非洲爪蟾胚胎细胞中注入编码荧光蛋白的mRNA，研究团队还实现了报告功能，通过Xenobot内置的荧光开关记录其路径。研究团队表示，可以利用这种分子记忆检测放射性污染物、化学污染物等状况。

Xenobot同样被研究团队验证能够顺利穿过长毛细血管。“我们在论文中报告了使用非洲爪蟾动物细胞生成可以在各种环境中移动的‘自动游泳机’。”论文中描述道。

《云端杀机》中描绘了一场刺杀恐怖组织头目的惊心动魄行动，由数百万架简易飞机群以蜂拥而至、出奇制胜、迅速撤离的方式成功完成。设想一下，如果拥有Xenobot的这些优点，这些简易飞机将无需自带电源、无需搭载自爆装置即可完成任务，信号机也不需要携带定位装置即可到达指定位置。

与此同时，研究者认为，生物机器人中的细胞还可以吸收和分解化学物质，发挥微型工厂的作用。通过计算机模拟，可以设计更复杂的行为，让它们执行更复杂的任务。

专家答疑

生物机器人：实际应用条件尚不成熟

答疑专家：叶海峰（华东师范大学医学合成生物学研究中心执行主任、国家重点研发计划项目首席科学家）

Q：使用干细胞制造机器人是否可行？

A：通过对干细胞进行干扰和重编程，使其产生全新的生物学功能，从而制造机器人是完全可行的。例如，2018年已有研究者通过基因改造间充质干细胞，使细胞表面表达可调控的受体蛋白，从而实现部分生物机器人的部件可控结合和解离。

然而，目前生物机器人距离实际应用仍有很长的距离。这种方法依然面临诸多挑战，包括如何使其自组装、如何确保细胞机器人的运动能力，以及如何通过合理设计，使其产生更复杂的生物学功能，如清除体内的毒素、检测细胞癌变并发出信号等。

总的来说，生物机器人应用于生物医学或环境监测还需要很长时间的发展。该研究中阐述的生物机器人的运动是不受控制的，因此这些机器人能否到达预期位置也是一个问题。

Q：论文中的一些成果来自计算机模拟，计算机模拟在研究中起到了什么作用？

A：该论文使用计算机模拟细胞的运动，是因为纳米机器人在微环境中的运动方式与宏观世界有很大不同。同时，机器人的外形和细胞数量等因素对其在特定液体环境中的运动也有很大影响。因此，通过计算机模拟不同的机器人外形和细胞数量组合，可以预测其在不同条件下的运动方式。这些模拟结果为研究人员提供了重要的设计依据，降低了实际实验的工作量，提高了设计方案的可行性。在合成生物学研究中，计算机模拟并非总是必需，但基于现有的生物学知识，合理组装和设计，模拟可以帮助预测其可能的行为。计算机模拟能够按照预期方向提供科学的解决方案。

（记者 张佳星）

来源：科技日报