全球首个用青蛙细胞制造的「活体机器人」诞生，有怎样的意义？ 第1页

不请自来。

这种生物机器人在在技术实现上并不困难，难能可贵的是创新性的思维和借助超级计算机进行流体力学分析，筛选出最佳的机器人构造模型。

首先我尽可能用简单的语言帮大家了解这种机器人的构造和工作原理

科研人员选择了非洲爪蟾的胚胎，分离出胚胎干细胞，然后在体外进行分化和扩增，分别诱导其分化为表皮细胞和心肌细胞。

说到非洲爪蟾，逛过花鸟鱼虫市场的人应该很多都见过。他们以“金蛙”、“五彩蛙”之名售卖，其实这些都是非洲爪蟾的白化种染色形成，国内一般作为大型观赏鱼的活体饲料：

其实这种小蛤蟆最初是被作为一种实验动物饲养繁殖的，原因很简单，就是皮实耐操而且容易繁殖。人类历史上第一次克隆试验就是用非洲爪蟾完成的，我们更熟知的克隆羊多莉其实是第一只克隆的哺乳动物。

所以这次研究人员选用非洲爪蟾也是因为我们对这种模式生物太熟悉了。

那么一个胚胎干细胞可以分化成几百种细胞，为什么独独选择了表皮细胞和心肌细胞呢？

因为作为机器人，首先要会动，那么几百种细胞中会动的就是骨骼肌细胞和心肌细胞了。骨骼肌细胞虽然能动，但是需要外界的电化学信号刺激才能收缩。心肌细胞则不同，只要外界环境的化学成分稳定，就可以保持不断地自主收缩。

而表皮细胞和心肌细胞来源于不同的胚层，在构建生物机器人的时候不容易和心肌细胞混合，而是一团表皮细胞团与一团心肌细胞团紧密粘在一起，形成一定的功能结构。未来如果需要这种生物机器人发挥其他功能，表皮细胞可以换成其他细胞，甚至在这两种细胞之外再加一两种。

论文^[1]作者将不会动的表皮细胞称为“被动细胞”，会动的心肌细胞称为“主动细胞”。前者为后者提供收缩运动的杠杆，后者为前者提供动力。这样两种细胞就构成了一种可以运动的复合细胞团。

那么如何让心肌细胞团和表皮细胞按照一定的结合模式长在一起呢？

答案很简单很粗暴——细胞分泌的细胞外基质会把两团细胞粘在一起，拿很细很细的镊子在显微镜下像捏橡皮泥那样塑个型就完事儿了：

但是如何才能让这团小肉肉按照我们需要的形式运动呢？

这就是这项研究的高明之处和创新性所在——计算机模拟构型。

这让我想起了现代战斗机的外形设计。上世纪八十年代，中美经历过短暂的蜜月期，很多军事航空领域的专家曾经有机会到美国著名的军用飞机设计机构访问。当时美军的所有战斗机外形设计都采用了计算机辅助，效率大幅度提升。这一点震惊了我方专家。从战斗机外形设计上，美国已经比我国先进了整整一个技术时代。

说回到这项研究，究竟表皮细胞和心肌细胞在空间结构上如何搭配才能让细胞完成不同的运动功能呢？与其一种结构一种结构地去盲目试验，研究团队选择了计算机模拟。让不同的搭配结构在计算机模拟环境下进行流体力学的运动试验。

搭建不同形态的生物机器人然后放进培养基里面进行运动试验是被动筛选，而研究人员请计算机代劳则大大提高了效率。我们不妨看一下论文中披露的“冰山一角”：

红色的心肌细胞和蓝色的表皮细胞，以不同的数量比例、不同的搭配方法进行无数种搭配，然后交给计算机进行运算，分析其在液体环境中的运动受力情况和运动轨迹。这样粗筛出最符合设计要求的结构再进行体外实验进行验证。

例如下图所示就是一个能够沿直线运行的结构：

说完原理，再谈谈生物机器人的局限性

这种生物机器人能够根据使用目的进行计算机预先编程，然后根据模拟结果捏出来需要的构型。虽然这项研究开创了一个非常新颖的思路，但是在我看距离广泛应用还面临一系列的难题：

1，批量生产不能靠捏：目前根据这篇文献的方法，所有生物机器人均为科研人员手工“捏造”。未来如果需要应用到人体，显然几个机器人肯定是不够用的。如何生产成千上万个这种小肉球，使其在结构和功能上趋近于一致，不能纯靠人工。

2，营养供应需要外界提供：虽然在论文中，生物机器人显示出不眠不休的持续工作能力、不惧机械损伤的修复能力。但这一切都有赖于稳定的外环境——这些小肉球无不浸泡在营养丰富、含有氧气的培养基里面。所以可以想见，未来如果这项技术应用于人体，机器人可能只能在血管中运行，依靠血液中的营养和氧气维持生命和功能。

3，未来人体应用还要面临很多问题：如果未来这种技术要应用到人体，肯定不能从胚胎干细胞分化出主动细胞和被动细胞，毕竟那颗胚胎已经张成人了嘛。如果用其他的人类胚胎干细胞，这些干细胞分化以后将产生成熟的MHC抗原，用到其他人体会出现免疫排斥反应，或许需要术前配型。具体类似于器官移植的配型。

如果不走胚胎干细胞分化这条路，这就需要从人体已经分化成熟的人体组织中分离出细胞再扩增用于制造生物机器人。但这又面临了一个更加棘手的问题，心肌细胞要从心脏取组织，而且心肌细胞在体外很难扩增。所以未来人体应用或许异体胚胎干细胞分化增殖这条路或许更容易些。术前要做移植配型。

虽然未来应用于人体还有很长的路要走，很多的问题要解决。但这个新技术却有很光明的前景：

根据论文中的展望，研究者们认为：

生物机器人的特性展示了其未来无限的可能性。它们可以被用来清理海洋中的微塑料污染，定位和消化有毒物质，或者进入人体血管，精准输送药物、清除动脉壁上的斑块等等。

但令我不解的是，海水中电解质浓度比较高，这些小肉球进入海水很有可能出现脱水死亡。而且海水中的营养物质太少，机器人无法直接摄取利用，如何能够清理海洋微塑料垃圾，实在是想不通。文献中也并未提及这一设想的具体实施方法。

说句题外话，目前很多偏向于生物应用的新型机器人其实并不一定都是结构复杂的精密仪器，反而可能是结构极其简单，体型在微米级别的小家伙。

如前段时间火爆全网的“Spermbot”，就是一个小小的金属线圈^[2]：

这个小家伙能够自己找到“瘸腿”的精子，从尾巴上套进去，然后自己在体外磁场作用下旋转起来，推动精子奔向卵细胞：

参考

1. ^ Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, et al. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS first published January 13, 2020.
2. ^ Campbell, MacGregor. Control how a spermbot swims with a magnetic field[J]. New Scientist, 220(2947):22-23.