科学家用青蛙基因创造的全球首个活体机器人「生娃」了，是什么原理？这项技术有哪些应用场景？

没那么神，根本不是“生娃”。这里的生物机器人实际就是非洲爪蟾干细胞培养出的类器官，运动时把培养皿里的散装干细胞堆到一起，散装细胞黏连产生新的类器官^[1]。新闻报道变成“活体机器人生娃”太标题党。

不算生娃，最多就是搓丸子。

讲下“搓丸子”的全过程 ^[1] ：

1. 取爪蟾干细胞培养成小球，先搓几个原始的丸子：

当非洲爪蟾胚胎发育到囊胚阶段，从非洲爪蟾胚胎的动物极（胚胎一头）取了点干细胞，放在14度的盐水中培养24小时。这些细胞本身就会相互连接粘连，最后形成图A里面的小球，这时候每个小球大约有3000个细胞（图A）。

2. 小球表面长出纤毛，开始游动，丸子开始自己滚动：

当培养3天后，这些小球表面的细胞开始长出纤毛，有了纤毛就可以游动了。

3. 所谓的小球生小球，就是用丸子搓出新丸子：

这时候如果在一个盘子里放一些没形成小球的干细胞（图B那些散装的白色颗粒，就是干细胞），原先的父系小球无规则运动时会把很多干细胞推来推去，这些细胞就有机会粘连到一起，形成新的子代小球（图C），当然这些小球也会分化发育变大（图D）。

与其说是生娃，不如说是细胞自己搓丸子。

套上“自组织”的外衣，本质上还是干细胞发育成类器官。

既然讲到类器官，这边展示下由干细胞产生的各种更高级的类器官。

比如说模拟人眼睛的类器官 ^[2] ：

这里把人的iPSC多能干细胞培养到小孔里，长到第五周，就有类似眼睛的结构了。别看它丑，它里面可是五脏俱全，整个视网膜的所有细胞都按自然规则排列，很牛了：

再比如说小肠的类器官 ^[3] ：

抽象是抽象了点，但它有小肠所有结构，包括小肠绒毛Villus和腺窝Crypt。

上面这些都是培养难度更高的人体类器官。

这里你可能要问：类器官有什么作用呢？

要知道：人的活体器官不能随便用于科研实验。所以就做了这些类器官，它们可以模仿人体器官细胞结构，你没法在人上做的实验，可以用类器官代替。

譬如对应器官的基础科学研究，或者在类器官上筛选药物。类器官虽然比较高级，但现在已经是生物科研中会用的一类细胞工具了。

参考

1. ^ ^{a b} Kriegman, S., Blackiston, D., Levin, M., and Bongard, J. (2021). Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. 118, e2112672118.
2. ^ Cowan, C.S., Renner, M., De Gennaro, M., Gross-Scherf, B., Goldblum, D., Hou, Y., Munz, M., Rodrigues, T.M., Krol, J., Szikra, T., et al. (2020). Cell Types of the Human Retina and Its Organoids at Single-Cell Resolution. Cell 182, 1623-1640 e1634.
3. ^ Rahmani S, Breyner NM, Su HM, Verdu EF, Didar TF. Intestinal organoids: A new paradigm for engineering intestinal epithelium in vitro. Biomaterials. 2019 Feb;194:195-214. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.12.006. Epub 2018 Dec 10.

这是动力学自我复制：

由非洲爪蟾细胞组成的、呈现吃豆人形态的 Xenobot，可以在培养环境里收集散落的非洲爪蟾干细胞并将其压缩成和自身相同的形态，那之后那团干细胞可以生长成同样的 Xenobot。

这是一种从未在地球动植物身上发现的自我复制方法，在一定程度上类似海绵、一些水螅和某些钵水母在身体受损后将细胞重新排列成尺寸较小的海绵或刺胞动物幼体的能力。

你可以看出这和“远古的自我制造大分子形成生命”的假说的相似之处。

Xenobot 的基因组是未经特殊修饰的非洲爪蟾基因组。人可以按照计算机求得的设计将其加工成跟自然界中的非洲爪蟾截然不同的形态、让其拥有完全不像脊椎动物的移动方式和自我修复能力，直观地展示了基因是细胞的工具箱而不是生物体的形态与功能的支配者；

这动力学自我复制更明确地告诉你：

• 你不但无法从基因组中看出细胞能利用它来构成什么形态的身体，而且看不出这些细胞还能做到些什么事。

尽管需要在自然界比较少见的环境，这仍然是在一定程度上超越了地球生物展现过的一切生理功能的全新成果，是人类的成就。但相关报道还是未能避免标题党的习惯，能在一定损伤范围内再生被说成了“杀不死”什么的，应该改进。

研究人员从中看到了广大的可能性——显然，这是科幻小说已经写了几十年的“自我复制的、有生命的纳米机械”的一种原型机。如果能用更坚固的、具有各种功能的细胞来做同样的事，这种技术既可用于人体内外的维护修理、各种复杂机械的建造和维护保养，又可以作为规模可调、难以阻挡的致命或非致命的武器。

不限于人工调整或人造的生命体，机械力对现存多细胞生物的细胞命运、胚胎生长发育、癌变等的影响还在研究之中。可以看看这些文献：

Koser D. E. et al. Nature Neurosci. 19, 1592–1598 (2016).

Serwane, F. et al. Nature Methods 14, 181–186 (2017).

Mongera, A. et al. Nature 561, 401–405 (2018).

Dumortier, J. G. et al. Science 365, 465–468 (2019).

.Thompson, A. J. et al. eLife 8, e39356 (2019).

Aragona, M. et al. Nature 584, 268–273 (2020).

Fiore, V. F. et al. Nature 585, 433–439 (2020).

Zhang, S., Teng, X., Toyama, Y. & Saunders, T. E. Curr. Biol. 30, 3364–3377 (2020).

Schliffka, M. F. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.09.10.291997 (2020).

你以为的“活体机器人生娃”。

实际报道的“活体机器人生娃”。

感谢 @麻瓜、 @菲利普医生 和 @药明康德 几位老师的从生物学角度的专业讲解，这是一项突破性的生物技术研究成果，但不免有一些夸大报道。

这个生物技术中所取用的胚胎细胞，本身就有自我繁殖能力，而“活体机器人生娃”其实是在进化算法（Evolutionary Algorithms）驱动下的研究成果，这篇论文中也多次提到了进化算法。

什么是进化算法？它的本质是一种集群算法，通过集群，遍历式的搜索策略空间，尽可能找到一个或多个可行的策略。

简单打个比方，假设有一个人在一个没有任何光源的山洞里探索出路，洞穴里有无数种排列组合，一个人要找到其中的出路非常难，而进化算法可以一次性放出N个人去探索出最优出路。

在这个项目中，研究人员就用进化算法在佛蒙特大学先进计算中心的Deep Green超级计算集群上进行了数月的处理，计算了数十亿中形态，创建了数千个候选设计。

再将其中成功概率比较大的形态应用于这项生物研究中，得出了这项研究成果——也就是最新一代的“C型结构”的Xenobot，实现了4次“自我复制”，能够更高效地产生细胞团。

进化算法已经在很多领域都有所应用，比如人工智能、深度学习，甚至艺术创作等等。

还有很多网友担心这些生物研究是否会导致“异形”的到来，其实想象力过于丰富，不至于过于相信科幻电影中所制造的“刻板印象”。

科幻电影《异形》中的恐怖生物

其实，我们对于“技术恐惧”，往往是对错误运用技术的恐惧，而不是对技术本身的恐惧。

不可否认的是，技术的发展必然会出现一些问题，比如人工智能发展过程中就出现过许多比较有争议的事件，比如智能音箱对主人建议人类使用者自杀的事件，AI换脸技术引发的一些隐私和道德问题。

如果未来有一天人类技术能够发展到制造出类“异形”的生物，一定是技术上有了重大的突破，而同样还有突破的，更是是规则和规范上的进步。

我国也成立了新一代AI治理专委会，并在2019年就发布了《新一代人工智能治理原则——发展负责任的人工智能》，提出了人工智能治理的框架和行动指南。

我们阿里安全技术团队的同学，也在致力于研究“用魔法打败魔法”的AI技术，比如“AI鉴黄技术”、“AI反诈技术”。

技术发展、技术规范、风险防范、伦理治理，一定是并行进步的。

前几天还在纳闷儿，为什么之前一个回答最近频频有评论回复和赞同：

原来是搞这项研究的团队最近又有新动作——让活体机器人搞所谓的“自我复制”。

在之前的回答中，我大体解释了这种活体机器人“Xenobots”的构成——非洲爪蟾干细胞分化的心肌细胞作为动力来源（作者称之为主动细胞），干细胞分化的上皮细胞则作为弓心肌细胞附着的支架（作者称之为被动细胞）。然后通过计算机模拟，筛选出两种细胞的空间构型，然后按照计算机给出的构型，把心肌细胞和上皮细胞捏成一个小肉球。这个小肉球上的主动细胞可以收缩，扰动周围的培养液，带动整个机器人在液体中定向游动。

那么这个新闻中，可以进行所谓“自我复制”的Xenobots又是啥呢？

其实就是一种可以搓丸子的构型。这个小家伙从长相到运动方式都像极了吃豆人，有一个凹槽，然后凹槽可以一张一合。这种一张一合可以吸入并喷出水，从而实现定向运动，这很类似于水母：

水母的这种奇特运动方式不仅可以游泳，还能在一张一合中吸入海水中的浮游生物，甚至是小鱼小虾：

那么类似的，这种新的活体机器人也可以吸入周围的小颗粒——研究人员分离的爪蟾干细胞。一张一合的“吃豆人”把周围的干细胞吞进嘴巴，然后干细胞越积越多，并且干细胞可以分泌细胞外基质，相互粘附就形成了一个个小肉球。而随着这些小肉球大到超过了“吃豆人”“嘴巴”的大小，就会自然从中脱落，好像完成了“分娩”。

然后研究人员为了给自己的研究提高调性，就称之为——“人类第一次发现的全新自我复制模式”。

然后媒体更兴奋，将其称之为——机器人“生娃”了。

拜托......这才哪到哪啊。

1，那些所谓的“offspring”，是外加的非洲爪蟾干细胞，不是机器人自己生产的。

2，那些所谓的“offspring”，构型和把它们攒出来的Xenobots不完全一样不说，而且干细胞也没分化出心肌细胞和上皮细胞啊，顶多算不会动的干细胞团块，无法像把它们制造出来的Xenobots一样运动，甚至“自我复制”。

3，如果硬说这些干细胞团是Xenobots的“offspring”，那它们也只能选择原谅了

这本质上就是干细胞的3D建模DIY，相关技术至少可以溯源几十年。

最早的细胞DIY其实可以追溯到1907年，美国贝克罗莱那大学教授威尔逊 (H. V. Wilson)切碎海绵组织，分离细胞后再重新聚集，最后形成了具有正常功能的海绵有机体。

脊椎动物细胞的DIY，却是到了1950年才开始，研究者发现，破坏鸡胚细胞团原有的拓扑结构后，它们会自发重新组织成原有的结构，具有自组织（self-organization）特性。

1960年，研究者从正在发育的鸡肾脏中分离出细胞，然后重新聚集，几乎重现了完全的肾脏发育过程^[1]。

1987年，间充质干细胞被发现。1998年，人胚胎干细胞被分离出来。2007年，成功制造出了诱导性多能干细胞。

随着相关技术的发展，干细胞的DIY，自然也就运用到了人类身上。

2008年，人多能干细胞培育出了3D大脑皮层组织。

2009年，成人肠道干细胞培育了出类小肠器官。

2011年，培育出老鼠类视网膜器官，人多能干细胞培育出类小肠器官。

2013年，人多能干细胞培育出大脑类器官。

2014年，培育出肾、肺、前列腺等类器官。

• 类肾

• 类前列腺

2015年，培育出乳腺、输卵管、海马体等类器官。

……

为什么干细胞具有自组织（self-organization）特性，能够发育成器官的原始结构呢？

主要有两种情况：

不同干细胞与不同的细胞粘性蛋白具有不同的粘性，从而让它们自动分类，从而进入不同的区域进行分化。

对于受到空间限制的干细胞（绿色的祖细胞），它们分裂的空间和方向本身就受到限制，被迫进入一个更浅的位置，促使其分化。

干细胞经过这一系列类似的自组织（self-organization）过程，便会一步步形成类器官，再现相应器官的某些特定功能。例如，排泄、过滤、神经活动、收缩等等。

例如，心脏类器官，虽然小巧玲珑，但却具有跳动能力。

通过诱导，人多能干细胞便能DIY成不同的类器官：

从左到右，依次是肠、肾、脑，以及视网膜类器官。

这些DIY的器官，目前来说，距离人体器官的功能还差得很远。

本质上它是通过3D水凝胶作为骨架，增殖分化而成，具体能发育成什么样，完全受到人类当前技术的限制，和自然发育差了十万八千里。

那研究这些东西有什么用呢？

其实大有用处。

由于和器官具有相似的生理功能，所以可进行疾病建模，进行药物实验，确定药物的疗效和安全。

虽然传统的药物实验，往往使用小白鼠等动物，但与真正的人体环境还是有一定的差距。这种方法，不仅可以更好地再现药物对人类患者的影响，也能减少动物研究。

• 小肠类器官，已经被用于病原体的感染研究：

另外，肝脏类器官，在药物测试方面也具有非凡的优势。

肝脏是人类最大的腺体和解毒器官，具有独特的代谢谱。对肝脏类器官进行药物实验，有着巨大的优势。

除此之外，特殊情况，也可以通过类器官进行替代疗法。例如，类器官功能再现足够好，或者移植要求更低时。

通过对类器官分化发育的研究，也可以模拟发育性疾病、退行性疾病，以及癌症发生、发展的过程，从而让我们对人体疾病机理具有更充分完善的了解。

类器官究竟可以对人体器官再现到什么样的程度，依旧是需要继续研究和探索的。

当然，这个技术彻底发展成熟之后，是有一定可能性彻底解决器官移植难题的^[2]。

至于本问题提到的“全球首个活体机器人「生娃」”，我觉得应该算是干细胞DIY的周边吧。

其实大自然才是最牛的，它创造了“78亿个真智能活体机器人”，每个机器人都由100万亿个细胞组成，不仅高度分化成了各种组织和器官，形成精密的结构，而且绝大部分都能一起生娃。

参考

1. ^ Taylor P . RECONSTITUTION OF COMPLETE ORGANS FROM SINGLE-CELL SUSPENSIONS OF CHICK EMBRYOS IN ADVANCED STAGES OF DIFFERENTIATION[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1960, 46(9):1177-1185.
2. ^ Lan Ca Ster M A , Knoblich J A . Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies[J]. Science, 2014, 345(6194):1247125.

这次的活体机器人没有生娃，纯属标题党。目前的有关生物机器人，存在着很多伦理问题。的几个方式。

１、三种吸睛的的生物机器人！

目前有三种吸引眼球的生物机器人，按照生物的大小分别如下。

1.1、精子机器人

精子是会游走的！

十多年前，就在中国发生了一件怪事。两口子在结婚六年后，生了一个娃。可是只要眼不瞎的人都能看出，这个娃的爸爸另有其人。因为这个娃是一个白人。

孩子他爹大怒，以孩子他娘不守妇道，偷人，出轨为由闹离婚。并要求，孩他娘净身出户。可是孩子他娘，大喊冤枉。因为孩子他娘是个本分人，不论是亲朋好友，还是左邻右舍都觉得不可能乱来，一个是没有时间，再一个原因是孩他娘就没有认识的白人朋友。

于是他们想到了做DNA亲子鉴定，结果出来了，孩子跟他爹无血缘关系。同时，医院还检查出，孩子他爹是弱精症，也就是能生娃的概率很低。当然弱不弱精都无关紧要，DNA检测结果足以表明，小孩的父亲另有其人。

事实的真相，让人震惊。真相是孩子他爸找了小姐，而该失足妇女同一天与一白人有性行为。同一天，孩子他爸与孩子他妈行房……

然后科学家就想到了一个办法，改造精子。

2013年12月18日，德国德累斯顿综合研究所的科学家们成功地将精子细胞放入了金属纳米管内。于是，第一个精子机器人就诞生了，这种机器人不但能将精子送入卵子使卵子受精，还能将药物携带到需要的位置上去。这个精子机器人的运动方向是靠磁铁来控制的。

由奥利弗·施密特教授带领的一支科学队伍发明的这个金属纳米管机器人的长度约为50微米，直径约为5~8微米。Wiley Online Library报道说，这种金属纳米管由一段会逐渐变细，这样就可以使内容物保留在金属纳米管中。这个精子的功能就相当于一个马达，在预定的方向上来驱动这个金属纳米管。

药物运送、释放的过程中有很多的问题。比如胰岛素，如果口服的话，鸟用都没有，因为还没有到达目的地，就被消化分解了，只有通过注射才有效。

而对于一些疾病，比如癌症，这些药物即使达到目标，也不能轻易地穿透癌组织。所以迫切需要一种更好的方式来克服这些问题来提供药物。

德国的科学家创造了一种独特的药物递送系统，使用精子将活性成分携带到肿瘤中。他们的新方法专门针对女性生殖道疾病，如妇科癌症，子宫内膜异位症，盆腔炎等疾病。

德国科学家表示可以利用精子机器人将药物运送到妇科癌症的癌细胞中，相关的研究于2017年3月在arXiv预印本服务器上发表。

研究人员也表示，他们的实验不是人体实验，而是基于母牛上的实验。他们用的是公牛精子而不是人类精子。

如果要运用于人体，应该思考其造成意外怀孕的可能，精子的数目，携带药物的种类、剂量，精子头部微型结构的自脱离机制以及伦理与临床应用等等问题。

1.2、青蛙的活体细胞机器人

这种类似于克隆羊一样。先找到细胞，然后通过一番骚操作，然后把细胞再放回羊的体内，然后生下的是克隆羊。

这个跟克隆羊的过程还不同。

实际就是非洲爪蟾干细胞培养出的类器官，运动时把培养皿里的散装干细胞堆到一起，散装细胞黏连产生新的类器官。

而且这个还不能称为器官，只能说是一堆细胞连在了一起。

不过这个已经非常牛了。

这毕竟是0到1，这种意味着以后，可以取一个细胞，然后不需要依靠生物的身体组装出一个器官。

1.3、狂犬病毒机器人

这个实验有人在研究，但是非常危险。

狂犬病毒有一个特点，能够逆神经运行。它能够钻到神经纤维里面，然后逆向沿着神经慢慢移动，移动到大脑理由，马上繁殖，然后把能弄死。

因此有人就想到改造这种病毒，然后病毒的携带药物。然后能修复一些神经病人。

比如川普就疯疯癫癫的，脑补神经就有问题，通过这种精准给药，精准攻击靶点达到治病的效果。

睡王拜登也是，他脑部神经肯定有问题，具有典型的老年痴呆症，然后改造这种生物机器人，把坏掉的部分吃掉。

2、生物机器人的难点

以目前实现的活体机器人“生娃”来说，控制其运动是最难的。

那种细胞的移动毕竟是没有智能的。

这次的活体机器人所以大篇幅的写了人工智能方面的。

这种算法完全可以移植到其它领域。