遇和不遇: 「活體機械人」Xenobot

美國研究人員11月29日表示，全球首款「活體機械人」Xenobot已學會自我繁殖。一種形似經典街機遊戲「食鬼」（Pac-Man）中小精靈的機械人會自行將鬆散的幹細胞聚集起來，幾天就能形成「後代」。這種繁殖方式在已知的多細胞生物中前所未見。從非洲爪蟾幹細胞中誕生的Xenobot去年問世時已引發科學倫理爭議，如今更多人擔憂它會突破人類管制。但研究人員堅稱其可控，且有望在醫療、環保等領域大放異彩。

美國佛蒙特大學、塔夫茨大學和哈佛大學威斯研究院的研究人員11月29日在《美國科學院院報》（PNAS）上發表論文，展示Xenobot自我繁殖的方式。這種機械人由非洲爪蟾幹細胞培育出的皮膚細胞和心肌細胞組成，最初的形象是直徑不超過1毫米的類球體，每個個體約有3000個細胞，能夠在液體中游動。研究人員發現，球形Xenobot在特殊情況下偶爾會通過「動力複製」方式繁殖，即將大量細胞聚集在一起形成新個體。

這種現象以往只會出現在分子層面，人類從未在細胞或生物體層面觀察到這種繁殖方式。研究人員隨後利用人工智能（AI）程序測試了數十億種體型，包括三角形、正方形、星形等，並在幾個月後設計出如同小精靈的「C」形Xenobot。這種機械人的繁殖效率明顯高於球形機械人。

機械人容易銷毀

根據研究論文，「C」形Xenobot會在培養皿內四處游動，將成百上千個幹細胞推到一起，堆積在自己的「嘴」裏，並組裝成新的機械人個體。不同的機械人還會協作搜集細胞，共同創造後代。佛蒙特大學機械人專家、論文第一作者邦加德表示：「有了正確的設計，這些機械人就會自發進行自我複製。」他認為，Xenobot既是機械人，也是一種特殊的生物。

新個體與「父母」外形相似，但細胞數量較少，誕生後會以同樣方式搜集細胞、創造後代。研究人員表示，「C」形Xenobot可以繁衍四代，當新個體細胞總數少於50個時，便會失去游動和繁殖的能力。

Xenobot的名字來源於為其提供細胞的非洲爪蟾（Xenopus laevis），但同樣會讓人聯想到經典科幻恐怖電影《異形》中的外星怪物異形（Xenomorph）。去年初美國研究人員首次公布其存在時，很多人就擔心這種機械人會成為人造怪物。今次得知它們已學會自我繁殖，公眾疑慮更深。有網民質疑：「它們會不會逃跑，並且製造出新的疫情？」

面對輿論爭議，邦加德回應說，這些機械人目前都被嚴格控制在實驗室內部，且能夠生物降解，銷毀起來很容易。該項目獲隸屬美國國防部的國防高等研究計劃署資助。

根據維基百科，第一批xenobots是由Sam Kriegman開發的AI程式生成的藍圖構建的。

迄今為止製造的Xenobots寬度不到1毫米，僅由兩個東西組成：皮膚細胞和心肌細胞，這兩者都來自從早期（胚泡期）非洲爪蟾胚胎中收穫的幹細胞。皮膚細胞提供剛性支撐，心臟細胞充當小運動，收縮和膨脹體積以推動活體機械人前進。活體機械人身體的形狀及其皮膚和心臟細胞的分佈在類比中自動設計，以使用試錯過程（Trial and error process）執行特定任務。Xenobots被設計成行走，游泳，推動顆粒，攜帶有效載荷，並在一個群體中協同工作，將沿著其盤子表面散佈的碎片聚集成整齊的堆。它們可以在沒有食物的情況下存活數周，並在撕裂傷后自愈。

其他類型的電機和感測器已被整合到xenobots中。活體機械人可以代替心肌生長纖毛，並將它們用作游泳的小槳。然而，纖毛驅動的活體機械人運動目前比心臟驅動的活體機械人運動更難以控制。分子也可以引入活體機械人，以賦予它們分子記憶：如果在行為過程中暴露於特定類型的光，當它們在螢光顯微鏡下觀察時會發出預先指定的顏色。

潛在套用

目前，活體機械人主要用作科學工具，以了解細胞如何在形態發生過程中合作構建複雜的身體。然而，當前活體機械人的行為和生物相容性表明瞭它們未來可能用於的幾個潛在應用。

鑒於活體機械人僅由非洲爪蟾細胞組成，它們是可生物降解的。由於成群的活體機械人傾向於協同工作，將培養皿中的微觀顆粒推入中央堆中。據推測，未來的活體機械人可能能夠對海洋中的微塑膠做同樣的事情：找到微小的塑膠碎片並將其聚合成一個大塑膠球，傳統的船隻或無人機可以收集並帶到回收中心。與傳統技術不同，活體機械人在工作和降解時不會增加額外的污染：它們的行為利用了天然儲存在組織中的脂肪和蛋白質的能量，這種能量持續約一周，此時它們只是變成死皮細胞。

在未來的臨床應用中，例如靶向藥物遞送，活體機械人可以由人類患者自身的細胞製成，這將繞過其他類型的微型機器人遞送系統的免疫反應挑戰。這種活體機械人可能被用來從動脈中刮除斑塊，並通過額外的細胞類型和生物工程，定位和治療疾病。

有望實現精準釋放藥物

Xenobot目前還沒有實際用途，但研究人員表示這種將分子生物學與AI技術相結合的模式具有很大發展潛力，可以用於製造更先進的生物工具，例如能夠從海洋中回收微塑膠顆粒的生物機械人等。

此外，「活體機械人」在醫療領域應用前景廣闊。一些藍圖將Xenobot設計為帶有中空結構的個體，可以攜帶微小物體到人體內部的指定位置，有望實現精準釋放藥物，而不損傷健康組織。研究人員表示，未來或許能用血管細胞、感知細胞等組裝出人造眼等立體生物結構，用於彌補先天缺陷、重建老化器官，甚至實現癌變組織正常化等。