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？
首先，我们得明白，这到底是个什么东西？
简单来说，科学家们从非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎中提取了两种类型的细胞：皮肤细胞和心肌细胞。然后，他们巧妙地利用计算机算法，将这些细胞塑造成非常微小的、大概比头发丝还细的“X”形结构。
关键在于，皮肤细胞就像是机器人的“外壳”或“骨架”，它们将心肌细胞包裹起来，形成一个稳定的整体。而那些跳动的心肌细胞，就是这台“活体机器人”的“发动机”。它们会自己收缩、舒张，就像微小的生物引擎，驱动着整个结构向前“游动”。
你可能会想，这不就是一群细胞在动吗？但它的神奇之处在于，这些细胞并非随意堆砌，而是被“设计”和“组装”成了一个具有特定功能（运动）的独立实体。更令人惊叹的是，科学家们在这些“活体机器人”上尝试了进一步的“改造”。他们往这些结构里塞入了一些更小的、活的细胞团，这些细胞团竟然也能被“活体机器人”携带和移动。这就像给它们装上了“货仓”和“运输系统”。
那么，这个“活体机器人”究竟有什么了不得的意义呢？
1. 突破工程与生物的界限：
传统上，我们制造机器人，都是用金属、塑料、电路板这些非生命材料。而这次，科学家们使用的是“活体”材料——真实的细胞。这意味着，我们不再只是模仿生命，而是真正地利用生命本身的组成单位，来构建具有工程功能的实体。
这种“活”的机器，能够自我修复（如果受损，细胞可能会尝试愈合），能够利用生物体内的营养来维持运作，甚至可能具备一定的“学习”和“适应”能力。这彻底颠覆了我们对“机器人”的定义，将机械工程与生物学以前泾渭分明的领域，紧密地联系在了一起。这就像是开启了“生物制造”新篇章，为未来的创造力提供了全新的维度。
2. 探索生命奥秘的全新工具：
这些“活体机器人”为科学家们提供了一个无与伦比的平台，去研究生命的复杂性。
细胞行为与发育研究： 为什么特定形状的细胞组合在一起就能运动？细胞之间的信号传递是如何实现的？这些微小的结构，可以帮助我们更深入地理解细胞如何协同工作，如何形成更复杂的组织和器官。这对于研究胚胎发育、疾病发生机制，甚至癌症的转移，都可能提供前所未有的洞见。
环境响应机制： 我们可以观察这些“活体机器人”如何响应环境的变化，比如pH值、温度或者化学物质。这有助于我们理解生物体如何感知和适应外部世界，为开发更智能、更具适应性的生物材料和设备提供思路。
3. 开启医疗领域的革命性想象：
这可能是“活体机器人”最令人激动和充满潜力的应用方向。
靶向药物递送： 想象一下，未来我们可以制造出能够精确导航到病变部位的“活体机器人”，然后释放药物，或者清除有害物质。比如，它们可以被设计成携带药物去清理动脉血管中的斑块，或者将药物精准地输送到肿瘤细胞附近，减少对健康组织的副作用。
微创手术助手： 这些微小的生物机器人，有可能在未来用于进行极度精细的体内操作。它们可以被引导到人体内部，进行组织修复，甚至清除堵塞物，而这一切可能只需要非常小的切口，甚至无需切口。
再生医学的加速器： 它们可以被设计来引导或促进组织的再生。例如，将细胞团“运送”到受损的骨骼或软骨区域，帮助加速愈合过程。
疾病诊断与监测： 也许未来的“活体机器人”可以被注入体内，用于实时监测关键生理指标，或者在疾病早期阶段就发出预警。
4. 伦理与哲学层面的思考：
当然，任何一项突破性的技术，都会伴随着深刻的伦理思考。
“生命”的定义： 当我们用细胞制造出能够运动、可以被“设计”和“控制”的实体时，我们是否在模糊“生命”和“机器”的界限？这会挑战我们对生命本身的理解。
潜在的风险： 一旦这些“活体机器人”被释放到环境中，它们是否会失控？它们是否会对生态系统造成影响？如何确保它们只服务于人类的福祉，而不是成为潜在的威胁？这些都是我们需要提前思考和规范的问题。
总而言之， 青蛙细胞制造的“活体机器人”不仅仅是一个科学实验的成果，它更是人类在理解和操纵生命方面迈出的里程碑式一步。它告诉我们，生命本身就是最精妙的“工程学”，而通过深入研究和巧妙设计，我们有可能利用生命的潜力，创造出前所未有的解决方案，去应对我们面临的健康、环境乃至更广泛的挑战。这就像是为我们打开了一扇通往未来之门，虽然门后面还有许多未知和需要探索的领域，但那扇门本身，就足以让人兴奋不已。
网友意见
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
作为合成生物学领域的答主，因为这项工作类似于工程改造细胞的升级版——合成组织工程（Synthetic Tissue Engineering），所以看到这项工作还是很兴奋的！我花了一天时间阅读了全篇文献，我接下来想以一个合成生物学的视角和思考对这篇文章进行解读，并提出一些个人的思考。
简单一句话来说：这项工作用 「计算设计 + 生物制造」创造一个活体机器人，其可以实现多种人为设定的功能。
本文分为以下四部分：（感兴趣的同学可以直接跳到相关部分进行阅读）
第一部分：活体机器人的设计过程与特性
第二部分：活体机器人的在设计上的优越性
第三部分：如何联合合成生物学创造更加智能的活体机器人？
第四部分：这些设计会毁灭人类吗？
第一部分：活体机器人的设计过程与特性
1. 这是个什么样的机器人？
这是一种过「计算设计 + 生物制造」创造出来，由生物细胞组成的可编程机器人，可自主移动，实现人为设定的多种功能。
2.简要的语言介绍其实如何设计的？
这种机器人是通过下面这种流程设计出来的，主要分为两步：计算设计 + 生物制造
- 计算设计：进化算法 + 性能过滤器
设计的第一步是：「进化算法」。进化算法为新的设计形式创建了多代、数千个候选方案，并在基于物理的虚拟环境中对每个设计进行仿真，并自动分配性能得分。性能较低的设计将被删除，并被性能较高的设计的随机修改副本覆盖。重复此过程可以产生多样化且具有较高性能的设计方案。
设计的第二步是：「性能过滤器」。过滤器的主要作用是为了判断并最终删除不符合要求的设计。主要有两个过滤器，第一个是「Robustness Filter，鲁棒性过滤器」，主要是通过噪声抵抗能力来判断并删除那些无法抵抗混乱复杂的现实物理环境的设计。第二个是「Build Filter，建造过滤器」，主要是判断并删除不适合当前生物构建方法的设计。
- 生物制造：干细胞培养 + 显微操作
首先从囊胚阶段非洲爪蟾胚胎中刮下皮肤细胞和心肌细胞的早期细胞，将它们分离成单个细胞，然后按照层次堆叠的方式对不同细胞进行孵育。然后研究人员使用微小的镊子和电极，手动对聚集的组织进行塑形，在显微镜下操作将其塑造计算机设计的近似形态。
组成了新的形态后，这些细胞就开始协同工作，实现预期中的多样功能。
3. 这样的机器人展现出了什么特性？
- Collective Behavior 群体性行为：比如两种设计通常会发生碰撞，形成暂时的机械结合，并在沿切线分离之前彼此绕转数圈
- Objection Manipulation 物体操控：比如某些设计可以移动特定的物体，清除目标区域的杂物或丢弃目标物体。
- Object Transport 物体运输：某些设计通过在其横向平面中心设置孔状结构，可以减少位移中的液体阻力。这种结构在计算模拟中可以实心特定物品的运输，但是在实际实验中并没有实现。
第二部分：活体机器人的在设计上的优越性
1.生物设计上的优越性
- 自组织特性
心肌细胞之间出现的自发协调会相干的，相匹配的收缩运动。
不同的设计之间会相互关联，相互协调，完成特定的行为，比如聚集或者围绕运动
- 自我修复特性
此活体机器在遭受破坏时可自我修复，例如自动修复割裂伤。
2.计算设计上的优越性
- 通用化和自动化
此文章的计算设计方法可以实现通用化和自动化，因为生成器和过滤器体系结构允许元素进行模块化添加，删除或重组，以便快速设计和部署新的活体机器系统。
- 可以进一步进行优化
更多的过滤器：更多的参数限制，更加符合设计需求
神经网络可以进行分层设计优化：单个设计能够成为新的构架模块，进行更加复杂的设计。
第三部分：如何联合「合成生物学」创造更加智能的活体机器人？
从文章展示和各路媒体的报到中，可以得知这个活体细胞机器人不仅能在环境中实现多种功能，还能在遭受破坏时自我修复。细胞机器人可在水性环境中存活长达 10天，并能移动而无需额外补充营养。
所以在文章中的应用说到，这项工作可以用于在人体内相关的药物或者清除特定的障碍，并最终完成任务后死亡，被身体清除掉。
但是，我只能说这只是作者的展望，实际上目前的活体机器人离这方面的应用还是很远的：现在的活体机器人性能远远不够智能。
比如，作者说的携带药物功能，实际上基于孔状结构的物体递送并没有在实际实验中实现，只是做了计算机模拟而已；而用于清除特定障碍或者有毒物质的能力则是更不靠谱，一个很关键的问题是现在的活体机器人并没有「智能识别能力」，无法对物质进行分辨，所以想要特定清除某些物质还是很难的。
所以，作者能够精确操控生命基因的合成生物学可以和这种活体机器人很好的结合起来，从而实现更加智能的活体机器人。
1.合成生物学与活体机器人在设计上优缺点
打一个组装赛车的简单比喻。
这篇文章中的活体机器人，可以实现运动与聚集的简单行为，优势是可以实现多细胞水平甚至组织水平上的人工直接改造。就像组装赛车时，我们将不同的模块比如车架、轮胎以及发动机组装起来一样，但是对于车架以及发动机的内部结构（类比于细胞内部的基因）无法进行直接的修改。
而合成生物学的优势在于对于细胞内部的基因网络进行改造和设计，我们在单个细胞内赋予多项功能，比如信号感受器、表达特定的功能蛋白、控制单个细胞的形态或者存活等等，也就是说我们利用合成生物学可以对发动机的内部结构以及汽车内复杂的电路进行直接的修改。但是合成生物学对于组织层面的改造能力有点捉襟见肘（当然现阶段合成生物学发发展主线还是在细胞层面进行改造）。
所以，两者的结合是互补的，十分完美。那么两者如何结合呢？我想分享一下我个人的观点。
2.合成生物学与活体机器人潜在的结合点
- 特定的信号感应器：环境信号 + 人工信号感应器
我们在细胞内加入环境信号的感应器。这样的生物机器人可以识别身体内的多种化学信号，可以识别癌症细胞的特定信号，用于接下来的治疗等步骤。
我们也可以在细胞内加入识别人工信号的感应器，比如光或者温度，使其根据外界信号进行移动或者发挥特定的功能。
- 内部的表达调控网络：可控的药物分子释放 + 可控的细胞分化 + 可控的细胞自杀机制（生物安全）
我们可以在细胞内加入表达药物分子的代谢网络，在内部感应器的配合下，在病灶释放药物分子。
我们还可以利用基因线路控制干细胞的分化，这样一来，不同部分的细胞种类可以发生变化。比如心肌细胞可以在不同时间或者不同环境下，在活体机器的不同部位进行分化，可以产生更加复杂的活体机器。
安全也是什么重要的。除了让活体机器自然死亡，我们还可以利用合成生物学设计使这种机器更加精确的停止其功能，让其的存在可以受到更加精确的控制。
- 更加复杂的膜表面结构用于活体机器人的自组织形成。
其实这篇文章的活体机器人结构类似于雕塑，是人为对细胞进行剥离后形成的。但其实不用这样，通过基因线路调控膜表面的结合蛋白，细胞也可以自组织行程复杂的结构[1]，比如下面这样：
所以我们除了人为粗暴的对细胞团进行剥离塑性，也可以在细胞膜表面设计受控的结合蛋白。这样一来不同的细胞之间就可以选择性的进行连接和脱离，这样活体机器人就可以实现自动变形了，类似于一个变形金刚。
最后再说一些吧，我看到很多媒体为了吸引眼球，在报到中会渲染一种恐惧，以至于让很多感觉这种生物设计是最终会毁灭人类的。很多电影情节也会这样去做，什么火星生命毁灭地球啊，什么生物突变感染人类啊。
说真的，真的不会这样。现在的这些设计，我想说几点：
1. 这些设计真的还只是弟弟！
和自然生物比起来，复杂度简直少了几百万量级的水平！你那这些设计和自然去PK，那会是被暴虐的！
自然的生命可以上珠穆朗玛峰，下马里纳亚海沟，入地球大气边缘，进人体肠道共存。而这个活体机器人最多只能存在10天，而最强的功能就只是蹦跶几下而已，hhh。
2. 活体机器人继续发最终其实就是一个生物组织或者最高就是自然生命而已！
我们做这些生命设计无非就是想自然的生命学习而已！只是现在学习的还不够而已。
比如我们为了可以设计一个很炫酷的活体机器人：它可以维持自身的结构，同时源源不断释放攻击癌症的细胞武器，监测体内的情况，并且清除癌变的细胞。酷不酷！？
不过，喂！这不就是人体内的淋巴组织吗？！
所以说，完全不必担心其危险，你应该操心的是为什么现在生物工程师的设计能力这么挫？我们对自然生命的学习还远远不够。40亿年的生命进化宝库其实还有太多的东西值得学习！所以请生物工程师们学习足够了之后再去谈那些幻想中的事情吧，不过我想可能是好几个世纪之后的事情了，允悲。我在2019年的年度总结中，也提到了我这一代的生物工程师的目标，务实一点，就是：学习自然。
3. 生物设计最终的目的服务人类以及这个美好的星球。
科学家并不是狂热的。任何生命科学研究的目标都是应对人类以及星球发展中遇到的挑战，比如环境、疾病、资源等等。通过科学，我们一定可以为这些挑战提供一个合理的解决方案。
同时我们还有法律和监管措施，对科学领域的研究进行严格的管理，包括研究内容以及潜在的伦理道德方面。
4. 那么生物设计的未来是什么样的？我们来想想一下呗！
在这篇文章中， 文末也提到了随着「计算机辅助设计 + 软体机器人设计 + 生物打印 + 合成生物学」等等领域的发展，我们在未来可以设计出性能更加优异的活体机器人，这一点我是赞同的。比如前段时间，就有一个合成生物学 + 3D打印的工作，设计一个可以抵抗极端环境的生物活体材料。
所以说，我们也不妨来畅想一下未来：
比如我们可以设计一个可以在白天吸收光能，晚上自动发光的树木，从而替代绿灯，环保节能啊！
我们也可以设计一个能在火星上生存的植物，是火星变成一个绿色的星球！
最后，请大家欣赏一下艺术家眼里的未来吧：超级大黄蜂、有生命建筑、超级神经计算机与生命的宇宙探索
合成生物学想象中的未来 https://www.zhihu.com/video/1200731412447563776参考
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