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不到一豪米大的人造「活機器」Xenobot。
Photo Credit：美國塔夫斯 (Tufts) 大學 Douglas Blackiston。
機器會轉、會動，但不能說是活的。活就是有生命，生物學家常用七種指標解釋生命，運動、呼吸、感覺、成長、繁殖、排泄、營養，以這個標準來看，機器顯然沒有生命，機器人也不算生命。通俗的說，機器多是鐵做的是硬的，生命體多是肉做的是軟的。那怎麼才叫「活機器」(Living Machine) 呢？這是一種由人新製造出來有如機器的生物體，既不是傳統的機器人、也不是傳統的生物，這一新「物種」的出現，成為上週科技媒體的頭條。
這新物種的名稱叫 Xenobot，是由非洲一種青蛙「爪蟾」（學名 Xenopus laevis）的幹細胞組合成的，所以取名 "Xeno"，另外 "bot" 則是俗稱的機器人。青蛙的細胞是生物體，所以稱做機器，是因為動作與功能是由電腦程式設計出來的，美國佛蒙特大學 (UVM) 電腦教授 Joshua Bongard 說，這是一個新的工藝品，是一個活的，可用電腦程式設計的生物體。
說清楚一點，Xenobot 分兩部分，電腦程式、與細胞組合，這兩部分密切相關，但不直接連接。電腦運算出細胞組合的方式，然後藉用這一方式，用生物的方法組合細胞，有人戲稱這像似從矽片 (Silico) 轉變成肉片 (Vivo)。兩部分的工作，也分別由兩所美國大學進行，電腦由 UVM 負責，細胞由塔夫斯 (Tufts) 大學負責。
電腦運算的核心是「進化演算法」(Evolutionary Algorithm)，是 AI 的領域之一，包括基因演算等進化策略，模仿自然界的進化機能，這一演算法的隨機特性，有強大的解決問題能力，在用到實際的青蛙細胞之前，先用 UVM 的 Deep Green 超級電腦測試虛擬的細胞組成，找出最佳的組合方式。
虛擬細胞分做兩類，有彈性可伸縮的，與被動沒有彈性的，同時也規定細胞的動作，哪些允許、哪些不允許。下一步把這兩種細胞隨機組成很多種形狀的組合，然後設計一些功能，例如朝一個方向移動，就開始用進化演算法運算，把不合格的組合淘汰，把合格的放進下一次運轉。這樣多次重複的運轉，找出最佳的組合。
下一步實體的工作，由塔夫斯大學的再生與發展生物中心接手，先從青蛙的胚胎取出幹細胞，切割成有收縮性類似心臟的肌肉，以及被動性類似皮膚的組織，然後對應模擬的彈性細胞與沒有彈性的細胞，依電腦選出來的最佳組合，用生物方式把這兩種組織黏接在一起，然後放在一個實驗皿器裡，觀察是否與模擬的動作相符。
據研究人員說，當切割的幹細胞組裝在一起以後，就立刻動了起來，有如四隻腳的兩棲動物在水中連貫的游動，而且不需營養，用胚胎儲存的能量，存活七到十天。電腦選出的多種組合方式也一一實驗，像許多個 Xenobot 圍成一圈，共同向中心推動一個小球，有的 Xenobot 設計的中心有孔，可以載重，最讓研究人員驚異的是會自癒，把它切成兩半，會自己縫合，然後繼續工作。
這樣的結果固然讓研究學者驚喜，也打開了學習的大門，像細胞之間如何聯繫、如何連接，讓我們學習的地方還有很多。塔夫斯大學再生與發展生物中心主任 Michael Levin 說，生物學的最大問題，在瞭解型態與功能是由什麼「演算法」決定的，基因編碼成蛋白質，但在不同狀況下的轉換功能，仍待我們去發掘。
發展活機器的意義，正如發表的論文說的，在使用有再生能力並與生物相容的材料，來發展新的技術，替代鋼鐵、水泥、化學、塑膠，這些對身體與環境有害的材料。
先用電腦模擬來設計新的機器，然後把最佳的設計轉換到生物體的結合，這一技術可以設計不同的活機器，用到不同的領域，像是安全的在人體內輸送藥物，協助清理環境，或者進一步，用以瞭解生命中多樣型態與功能的形成。
活機器論文 A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms，發表在2020年1月13日「美國國家科學院院刊」(PNAS)，有興趣的讀者可瀏覽。
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