【Wired 硬塞】活的機器生物!Xenobot,詭異的可編程有機體

Xenobot,用青蛙細胞造的有機「機器」,一方面可以透過程式操控,一方面也有活體特性,細胞間能用自己的方式「溝通」。未來的機器人有機會用上這項發現,用活體細胞作為基底嗎?
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顯微鏡下的 xenobot。Douglas Blackiston/Tufts University
顯微鏡下的 xenobot。Douglas Blackiston/Tufts University
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原文來自 Wired《Meet Xenobot, an Eerie New Kind of Programmable Organism》,作者 Matt Simon。 台灣康泰納仕集團授權提供。本文由 INSIDE Mia 翻譯。

在顯微鏡的目光注視下,一坨忙碌的團塊在一片液體中打轉:前進、轉彎,有時候還會轉圈圈。在空白處丟入細胞碎片,這坨團塊就會把它們聚成一堆。把團塊翻到背面,它就會像翻倒的烏龜一樣躺在原地。

它們的行為讓人想到追逐獵物的微生物扁蟲,甚至有點像一種叫做水熊蟲的微生物,這種生物的身體組成已經足以辦到許多複雜的行為。但是這團塊的行為只是表象,它的成份只有青蛙的皮膚細胞和心臟細胞。

近期刊登於於《美國國家科學院院刊》(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences)的一篇研究說明了他們是如何使用進化演算法編程這種「xenobot」(命名自青蛙的學名 Xenopus laevis,也就是這些細胞的來源。) 研究者們希望這種結合收縮細胞和被動細胞的新有機體,及其詭異的高階行為能夠幫助科學家們解開細胞溝通之謎。

細胞們如何分工合作並形成如此精密的解剖構造「是個大謎團」;塔夫茲大學的發展生物學家,同時也是論文共同作者的麥克・列文(Michael Levin)說到。「我們感興趣的是,這些細胞是如何協作並造出擁有特定功能的結構。」而一旦開始探索這塊未知領域,他們也許還遇到了更神秘的問題:細胞還會做哪些其他的事?

透過厲害的演算法和細胞本身的幫助,列文和他的同事開始攜手設計 xenobot。他們從青蛙胚胎收割幹細胞,並讓它們分化成會自然收縮的心臟細胞,以及不會收縮的皮膚細胞。在顯微鏡下,他們利用細胞會互相黏在一起的特性,把這些主動和被動細胞結合在一起。有些形成楔形、有些形成拱形。

xenobot

上面的 GIF 可以看到,上面藍色的方塊是被動細胞,下面一直變動的綠色和紅色細胞則是主動細胞。

當 xenobot 移動時,研究員可以觀測他們獨特的結構(包括細胞排列及團塊的整體形狀)如何對應到行為上。他們把所有數據傳送給一組電腦科學家,建了一套有數位版 xenobot 遊走其中的模擬環境。接著執行進化演算法,這套演算法可以重現天擇的過程,來檢驗 xenobot 的結構如何幫助它前進之類的。這套系統找出 xenobot  設計可以改動之處,並觀察新的設計如何影響功能。在一連串任務中表現優秀的 xenobot 就會成為合適的候選,並且和其他表現良好的 xenobot 融合,創造出下一代「進化」的 xenobot。

列文和同事接著開始嘗試造出這些新設計,其中有一部分則成為棄案。他們把實驗可行的架構回傳給電腦科學家,來調整模擬環境。「所以像這樣不斷在設計和生物實驗之間來回,來幫助我們理解這生物怎麼運作,」列文說。

這些沒有腦袋的團塊最後開始出現了有點嚇人的行為。「它們會一直改變動作,比如它們會用一種方式動,然後換個方式,接著轉一圈往回走,」列文說。如果 xenobot 碰到其他零散的細胞,就會把它們聚成一堆。把 xenobot 切開,它會自我修復,就像電影《魔鬼終結者 2 》裡的 T-1000 一樣。兩隻 xenobot 可能會聚在一起四處晃,就像一對情侶一樣。中間有個洞的 xenobot 可以抓取並帶著東西。

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xenobot 細胞間的溝通,或可說是所有細胞間的溝通如何產生這些複雜的行為,正是列文和他同事在追尋的。「更重要的是,我們控制它的方法,」列文說。xenobot 是獨一無二的有機體:它既是有活細胞的生物,又是讓研究員可以編程去執行某些行為的機器。青蛙細胞內部和其本身並不特別,特別的是細胞集體產生的行為才讓人驚艷。

也許我們可以開始思考機械的全新型態。通常理想的人形機器人是一堆不智慧的零件組合成一具可以行走並使用物品的高智慧機體。但是人類身體則是從底層開始就有智慧——細胞間透過溝通製造組織,接著組成器官,最後(理想上來說)組成有智慧的整體。「我們也想把這些發現回饋到工程和 AI 領域。」

然而這並非易事,「用活組織建造機器人要面對很多現在軟式機器人已經碰到的問題,只是難度更高。」與這次研究無關的奧斯陸演化機器學研究員通尼斯・尼加德(Tønnes Nygaard)說到。真實的世界是個充滿雜訊且混亂的地方,任何機器人都得耗費大把心力才能適應環境,更別提由充滿不確定性的活細胞做出來的機器人了。不過使用這種方式打造機器人的優勢就是它們某種程度上可以像真的生物一樣,自己去適應環境,同時人類也會動手去領導它們。

所以,讓我們熱烈歡迎 xenobot,獨一無二的機械有機體。願世界溫柔待你。

核稿編輯:Chris








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