一个人工智能设计的、Pac-Man形状的“母体”有机体(红色)，旁边是已经压缩成一个球的干细胞——“后代”(绿色)。功劳:道格拉斯·布莱基斯顿和萨姆·克里格曼要坚持，生命必须繁衍。几十亿年来，生物进化出许多复制方式，从萌芽植物到有性动物，再到入侵病毒。现在，科学家们已经发现了一种全新的生物繁殖形式——并应用他们的发现创造了第一个自我复制的活体机器人。
建造第一个活体机器人(“异种机器人”，由青蛙细胞组装而成——2020年报道)的同一个团队发现，这些计算机设计和手工组装的生物可以游到它们的小盘子里，找到单个细胞，将数百个细胞聚集在一起，并在它们Pac-Man形状的“嘴巴”里组装“婴儿”异种机器人——几天后，它们会变成新的异种机器人，看起来和移动起来都和它们自己一样。
然后这些新的异种机器人可以出去，找到细胞，并建立自己的副本。一次又一次。
“有了正确的设计——它们会自发地自我复制，”参与领导这项新研究的佛蒙特大学计算机科学家和机器人专家约书亚·邦加德说。
这项新研究的结果发表在2021年11月29日的《美国国家科学院院刊》上。
走进未知
在非洲爪蟾身上，这些胚胎细胞会发育成皮肤。塔夫茨大学艾伦发现中心主任、生物学教授迈克尔·莱文是这项新研究的共同负责人，他说:“它们会坐在蝌蚪的外面，挡住病原体，重新分配粘液。“但我们把它们放在一个新颖的背景下。我们给了他们一个重新想象他们多细胞的机会。”
他们想象的东西和皮肤有很大的不同。“人们已经思考了很长时间，我们已经找到了生命能够繁殖或复制的所有方法。但这是以前从未观察到的，”合著者道格拉斯·布莱基斯顿说，他是塔夫茨大学的高级科学家，组装了异种机器人“父母”，并开发了新研究的生物学部分。
“这是深刻的，”莱文说。“这些细胞拥有青蛙的基因组，但是，从变成蝌蚪中解放出来后，它们利用自己的集体智慧，一种可塑性，去做一些令人震惊的事情。”在早期的实验中，科学家们惊讶于异种机器人可以被设计成完成简单的任务。现在，他们震惊地发现，这些生物物体——计算机设计的细胞集合——会自发复制。“我们有完整的、未改变的青蛙基因组，”莱文说，“但它没有暗示这些细胞可以在这项新任务中一起工作，”即收集分离的细胞，然后将其压缩成可工作的自我拷贝。
“这些青蛙细胞的复制方式与青蛙完全不同。这项新研究的主要作者萨姆·克里格曼(Sam Kriegman)说，他在UVM邦加德实验室完成了博士学位，现在是塔夫脱艾伦中心和哈佛大学怀斯生物启发工程研究所的博士后研究员。
由大约3000个细胞组成的异种机器人母体本身就形成了一个球体。“这些可以制造孩子，但之后系统通常会消亡。实际上，让系统继续繁殖是非常困难的，”克里格曼说。但是，随着一个人工智能项目在UVM佛蒙特州高级计算核心的深绿超级计算机集群上工作，一种进化算法能够在模拟中测试数十亿种身体形状——三角形、正方形、金字塔形、海星形——以找到那些允许细胞在新研究中报告的基于运动的“运动学”复制中更有效的形状。
克里格曼说:“我们让UVM的超级计算机想出如何调整最初父母的形状，经过几个月的努力，人工智能提出了一些奇怪的设计，包括一个类似Pac-Man的设计。“这非常不直观。看起来很简单，但这不是人类工程师能想出来的。为什么是一张小嘴？为什么不是五个？我们把结果发给了道格，他建造了这些类似吃豆人的父异种机器人。然后那些父母造孩子，谁造孙子，谁造曾孙，谁造曾孙。”换句话说，正确的设计大大延长了世代的数量。
运动复制在分子水平上是众所周知的——但它以前从未在整个细胞或生物体的规模上被观察到。
UVM工程和数学科学学院的教授邦加德说:“我们已经发现，在生物体或生命系统中存在这种以前未知的空间，这是一个巨大的空间。“那我们如何去探索那个空间呢？我们发现了会走路的异种机器人。我们发现了会游泳的异种机器人。现在，在这项研究中，我们发现了可以运动复制的异种机器人。外面还有什么？”
或者，正如科学家们在《美国国家科学院院刊》研究中所写的那样:“生命在表面之下隐藏着令人惊讶的行为，等待被发现。”
应对风险
有些人可能会觉得这令人振奋。其他人可能会对自我复制生物技术的概念感到担忧，甚至恐惧。对于科学家团队来说，目标是更深层次的理解。
“我们正在努力理解这个属性:复制。世界和技术正在迅速变化。邦加德说:“对整个社会来说，重要的是我们要研究和理解这是如何运作的。这些毫米大小的活体机器，完全装在实验室里，很容易熄灭，并由联邦、州和机构伦理专家审查，“不是让我晚上睡不着的东西。带来风险的是下一个疫情；加速污染对生态系统的破坏；来自气候变化的日益加剧的威胁，”UVM的邦加德说。“这是研究自我复制系统的理想系统。我们有一种道德责任去理解在什么条件下我们可以控制它，引导它，浇灭它，夸大它。”
邦加德指出了COVID疫情和对疫苗的寻找。“我们产生解决方案的速度非常重要。如果我们能够开发技术，从异种机器人那里学习，我们可以快速地告诉人工智能，‘我们需要一个生物工具来做X和Y，抑制Z’，这可能会非常有益。如今，这需要非常长的时间。”邦加德说，该团队旨在加快人们从发现问题到产生解决方案的速度——“就像使用活体机器从水道中拉出微塑料或制造新药一样”。
邦加德说:“我们需要创造与我们面临的挑战速度相同的技术解决方案。
该团队认为这项研究有望促进再生医学的发展。莱文说:“如果我们知道如何告诉细胞集合去做我们希望它们做的事情，最终，那就是再生医学——那就是创伤性损伤、出生缺陷、癌症和衰老的解决方案。“所有这些不同的问题都在这里，因为我们不知道如何预测和控制将建立什么样的细胞群。异种机器人是教我们的新平台。”
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