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【從細胞製出活機械】
文：天衛六
談到機械人，許多人只想到由金屬和塑膠等材料製成的工具，有的像人，有的類似動物，或有的只是生產線上的設備。對於美國的一組研究人員來說，機械人意味著更多的可能性。「經濟學人」報道，他們研究出如何使用生物細胞創造出新型的生物體，可以完成各種工作之餘，更有可能自我繁殖。
現今有幾種方法可以改進生物，例如選擇性育種，或近年炙手可熱的基因工程技術，以培育用於農業和園藝的新型動植物，及製造工業用的細菌。研究人員也在研究獨立培育動物器官，可用作藥物測試，甚至用以進行移植手術。但這次研究人員是組合不同的生物組織，來設計出新機械。
「美國國家科學院院刊」早前刊登一篇論文，來自佛蒙特大學（University of Vermont）和塔夫茨大學（Tufts University）的研究團隊從細胞成分設計出「有機機械人」，其特別之處在於機械人的成分不再是合成物料，而是生物。他們通過組裝已有深入研究的「非洲爪蟾」（Xenopus）的特定幹細胞來實現這些設計，而製造出來的「機械人」亦接近於生物學定義的「生物」（organism）—— 具有自主行為的能力、並且包含專門執行不同作用的細胞類型。
這些約只長一毫米的人造生物被稱為「異機械人」（xenobots）。它們可以移動並執行簡單的任務，例如移動小顆粒。聽起來可能功用不大，但是研究團隊認為這些小朋友具備做大事的潛力。例如，源自人自身細胞的機械人可注入血液中，以清除動脈壁上的斑塊或識別癌症。又例如，將來可以製造一大群生物機械人，用以尋找和消化環境中的有毒廢物，包括海洋中的微小塑膠碎片。
在設計之初，研究團隊便採用了一種稱為「進化算法」的電腦程式。該程式先生成 500 到 1,000 個皮膚和心臟細胞的隨機三維配置，然後在虛擬環境中測試每個設計，例如查看當心臟細胞跳動時，該配置的移動距離。他們基於對非洲爪蟾細胞豐富的生物物理學知識，以測試這些配置方式對於執行目標任務的合適度。電腦會選擇表現最佳的版本以產生更多的設計和自我調整。這過程將不斷重複至最適當的設計出現。餘下便是利用顯微外科技術，按構建算法的結果去搭建非洲爪蟾細胞群。
研究團隊使用了兩種類型的幹細胞，包括取自早期胚胎的「多能性細胞」（pluripotent cells），其擁有廣泛的能力，如轉化成其他類型的細胞。其餘是心臟祖細胞（cardiac progenitor cells），一種會產生心肌的特殊幹細胞。放置在盤中的機械人能夠通過其內部的心肌細胞收縮，來推動自己在盤表面前進。個別機械人除了能夠推動單一顆粒外，也可以共同工作，繞圈走動，收集顆粒，並將之整齊排列。
研究作者 Joshua Bongard 表示，這些細胞正在以未知的方式相互傳遞信號，將來可以再進一步研究這種可能性。該團隊還試圖弄清楚如何激發細胞來構建複雜的功能性身體。另一研究作者 Michael Levin 指，這些知識將在再生醫學中非常有用，「再生醫學」旨在修復器官並為移植者建立身體部位。
但是，要使「異機械人」派上用場，就必須找到簡易的製造方式。現時的手工製作需要在顯微鏡下使用鑷子來完成，非常耗時。而其中一種自動化生產的構思，是通過三維打印來搭建必要的細胞層。
目前這些「異機械人」的壽命還頗短，最多只有幾個星期，因為它們沒有任何餵養自己的設備。從某種意義上說，這是一件好事，因為它可以緩解對安全性的恐懼。即使機械人逃脫了，也會在一定時間內報廢，而這些由青蛙細胞製成的「異機械人」既無毒亦可生物分解。但是，為了讓機械人發揮更大作用，研究人員正在尋找延長其壽命的方法。
更具爭議性的建議是為異種機械人配備生殖系統，例如讓機械人像扁蟲（flatworms）般將自己分為兩半，這將對需要大量機械人的工序有極大幫助。但是，這也可能引起人們對逃脫者流出野外的擔憂。這種層面已超越單純的技術突破，而是政策和倫理的規範。
圖片來源：SciNews／YouTube
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