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那福忠,網路作者。
   
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  January 19, 2020  活機器
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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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