前言

當全世界的目光都聚集在大語言模型雨后春筍般的發布時，生物學領域正悄然重塑學術認知邊界。

生物學在現代科學版圖中的重要性已無需贅言。該領域的前沿突破不僅推動學科自身發展，更持續為工程學、臨床醫學等交叉領域輸送創新范式。相比人工設計，自然演化而成的生物機制在微觀精密調控、環境動態適應及損傷自修復等方面具有天然優勢，因此，許多領域的技術的突破往往借鑒自然界已有的機制，這種方式被稱為“擬態”。比如，春晚上轉花手帕的機器人，就是通過不斷矯正以模擬人的生理結構來達成的。

然而，最新的機器人技術已經放棄了模擬“人”，而是一步到位，直接借用人類的細胞來更好地使機器人的生理結構無限接近于“人”。

來自塔夫茨大學 Michael Levin 實驗室的Gizem Gumuskaya 博士在 2023 年 11月發表的文章 “Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells” 上披露了一項最新技術，利用人類細胞制造了一種自組織生物體，稱為“人源機器人”（anthrobots）。

吉澤姆·古穆斯卡亞

Gizem Gumuskaya

塔夫茨大學艾倫探索中心與哈佛大學威斯生物啟發工程研究所生物學博士

吉澤姆·古穆斯卡亞是合成生物學家與建筑師，致力于融合設計與生物學，開發具有自構建能力的生物結構。她本科畢業于伊斯坦布爾理工大學建筑系，后赴麻省理工學院攻讀建筑學與合成生物學雙碩士學位，并在塔夫茨大學與哈佛威斯研究所完成生物學博士學位。其研究聚焦形態發生工程，通過設計引導生物組織自主生長為目標結構，以解決可持續建筑、醫學及航天領域的難題。博士期間，她首創人源生物機器人Anthrobots，并主導DARPA資助的FACETS項目，探索細胞自組裝三維工程結構。這些成果為開發生物自修復、碳捕獲的建筑系統奠定基礎，推動合成生物學向宏觀尺度的應用拓展。她計劃進一步將自構建技術延伸至大型低碳建筑領域，重塑未來人居環境。

這類生物機器人（Biobots）區別于傳統機械裝置，其本質是能自組織的人類細胞集合體，尺寸范圍從發絲直徑到鉛筆尖。研究人員可以通過模塊化組裝技術，根據需求調整其功能性尺寸。這項研究還披露了 Anthrobots 的另外一個巨大優勢：無需進行任何基因改造，就可以轉化人類細胞，使之成為可為人使用的機器人。

雖然這一研究尚處于早期階段，但已經展示出巨大的醫療應用前景，例如用于組織修復、藥物遞送、疾病檢測等。這種生物機器人相較于其他依賴CRISPR技術的DNA納米機器人，無需基因編輯即可實現自組裝與自主運動。

?相關論文：Gumuskaya G, Srivastava P, Cooper BG, et al. Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Adv Sci (Weinh). 2024;11(4):e2303575. doi:10.1002/advs.202303575

生物制造與“合成形態發生”

談到其工作成果時，Gumuskaya 指出她的研究成果在工程學和科學界應該具有不同的應用。

在工程學層面上，她希望利用自然界已有的生物機制，突破傳統人工系統的局限，構建前所未有的結構和活體組織。尤其是在構建方面。利用再生、愈合、復制基本構件、自我建構以及感知和響應環境的能力，通過合成形態發生（synthetic morphogenesis），將這些特點引入工程領域。

在科學層面上，她希望她的研究有助于理解形態發生（morphogenesis）——即生物如何從單細胞發展成復雜的多細胞有機體——是如何發生的。這不僅能揭示自然界的基本規律，還能為生物工程提供新思路。

?人源機器人。圖源：Gizem Gumuskaya

形態發生作為生命世界的通用法則，從細菌生物膜的群體行為到人類器官的精密發育，都遵循著這一特定的組織邏輯。結合了工程界和學界的目標后，Gumuskaya提出 “合成形態發生”這一策略。合成形態發生，本質是在解碼這些自然發育密碼的基礎上，主動干預并引導生物結構的形成，使其具備特定功能。這種方法不同于傳統的基因編輯，而是基于細胞已有的自組織能力，通過環境調控實現工程化目標。此外，相較于傳統人工材料，比如金屬，玻璃等，這些材料通常都十分脆弱且不可自我修復。自然界的系統則通常具有自我修復的能力。

這種“師法自然”的研究方式實際上非常現代。20 世紀前，由于人們對自然的理解有限，很難闡明某一自然現象背后的機制，所以更多的技術革新多停留于表象模仿上，比如人類通過觀察鳥類飛行原理制造飛機。21 世紀后，人們開始研究自然界系統的內在規律，并嘗試重新編碼并利用它們，既保留了自然界獨有的特性（如自我構建或再生能力），又將人類工程設計的思維嵌入其中，最終催生出生物機器人（biobots）這類"自然-人工"混合體。

從“異種機器人”到“人類細胞機器人”

Anthrobots并非橫空出世。研究團隊曾利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎細胞開發的“異種機器人”（xenobots），是第一批完全由生物細胞構成的生物機器人。

在此之前，生物機器人的領域已經存在，但很多研究實際上是細胞與凝膠或支架的混合體——通過這些支架或其他支持材料，可以添加細胞并利用它們的生物特性，比如通過光遺傳學激活它們——所以稱這些生物機器人是混合型的。基于之前堅實的實驗基礎，Xenobots 可以不依賴任何人工支架，而是完全由活細胞自組織形成，在培養皿中展現出自主移動能力，并表現出一定程度的自我修復能力。

?Xenobots 實際上是由 Douglas Blackiston 直接在顯微鏡下用解剖刀“雕刻”出來的。這或許是造物主的刻刀第一次握在人類手中。圖源：Douglas Blackiston

Anthrobots作為Xenobots的醫學應用升級版，面臨使用人類胚胎細胞的倫理桎梏。研究團隊為了構建表面覆蓋纖毛的球形結構，以便在生物環境中實現自發運動，選擇了人類氣管上皮細胞（NHBE）作為替代，該類細胞天然攜帶纖毛發生基因，而纖毛是推動細胞運動的重要結構。

在傳統培養方法中，一般將氣管細胞在Matrigel培養基中培養14天，這之后得到的細胞通常會形成腔體內部帶有纖毛的球形結構，這與研究目標相反。為了解決這一問題，研究人員嘗試通過去除Matrigel培養基，并將細胞團轉移至低粘附環境，同時添加維甲酸（Retinoic Acid, RA），來誘導形球形細胞團經歷“反轉形成”（eversion），使纖毛暴露于外部。這樣一來，細胞就可以實現自主運動的能力。

研究團隊記錄了Anthrobots的運動軌跡，并計算直線性指數（Straightness Index，0-1區間，1為完美直線）和旋轉指數（Gyration Index），并使用無監督聚類（Ward.D2算法），將Anthrobots的運動軌跡分為四種主要運動類型（直線、曲線、循環、無規律運動）。在獲得以上數據后，研究團隊再將觀察到的細胞形態數據和運動軌跡數據結合分析，以闡明形態特征（如最大半徑、表面纖毛密度等）如何影響人類細胞機器人的運動模式。

?Anthropods 運動軌跡。

生物機器人的多樣性與行為模式

研究團隊通過顯微成像和運動軌跡分析發現，即使使用相同的細胞培養方法，形成的 anthrobots 仍呈現三種形態分化：全纖毛覆蓋型因纖毛扭矩相互抵消，導致較小個體僅能高頻顫動；局部纖毛覆蓋型憑借不對稱纖毛分布，使其能夠定向直線位移；非對稱纖毛型則因單側纖毛束形成力矩差，呈現持續圓周運動。

這一發現表明，形態結構直接決定了運動模式，為進一步控制生物機器人的行為提供了可能性。例如，在醫療應用中，可以選擇旋轉型機器人在特定區域停留更長時間，而直線型機器人用于大范圍巡航。

組織修復潛力：對神經細胞的影響

除了自主運動能力外，該研究的一個重要發現是 anthrobots 還可能促進神經組織修復。在實驗中，研究團隊通過機械劃痕法構建人類皮層神經元單層損傷模型（scratch assay），然后系統觀測到這些機器人不僅能夠穿越損傷區域，而且促進神經元的生長和遷移。此外，當多個 anthrobots 聚合形成更大的結構時，它們甚至可以充當“橋梁”，幫助斷裂的神經細胞重新連接。要知道，大部分神經元在損傷后無法自我修復，并導致突觸因此受損，anthrobots這一能力為阿爾茨海默病等神經退行性疾病的治療開辟了新路徑。

目前，研究人員仍在探索這種修復機制的具體原理，初步證據指向纖毛釋放的細胞因子或生物電信號。雖然確切機制尚未明確，但這一發現為生物機器人在神經再生和組織修復領域的應用提供了重要依據。此外，這些研究仍需要體內實驗來驗證 Anthrobots 在真實生物亭內的行為和生物相容性。

未來展望：從醫療到可持續建筑

Anthrobots 的成功標志了未來體內機器人的可能方向，但是這個研究也有一些不足之處，在使用纖毛運動抑制劑（Ciliobrevin D）驗證運動依賴性時，雖明確運動是神經修復的必要條件，卻未能解析纖毛擺動的時空協調機制；此外，Anthrobots的運動模式仍然是自發的，現有技術僅能通過調控基質剛度等環境參數間接影響群體運動趨勢，仍無法實現單細胞級別的精準定向操控。

雖然目前仍處于基礎研究階段，但Anthrobots已顯現十分廣闊的應用前景。短期內，它們可能能用于神經再生、藥物遞送、組織工程等醫療領域。例如，利用不同運動模式的機器人精準輸送藥物，或在體內執行局部修復。

此外，Gumuskaya 還希望將“生物建筑”概念引入可持續發展領域。目前，建筑行業是全球碳排放的重要來源，而生物系統具有自我構建和碳封存能力。如果能借助生物工程設計出可自組裝、可降解的建筑材料，將極大地減少傳統建筑對環境的影響。

挑戰與倫理考量

盡管生物機器人在醫療和工程領域展現出巨大潛力，但也引發了一些安全和倫理問題。例如，如何確保機器人在體內的可控性？機器人是否會對健康造成潛在風險？

人類細胞機器人，究竟是人，還是機器？Gumuskaya 認為，目前來看，anthrobots 本質仍屬人類細胞衍生物，是擴展了人類可以用自然材料創造的穩定形態的范圍。也就是說，研究員們并沒有無中生有地制造那些青蛙胚胎，而是自然形成的。但通過使用它們，我們能夠創造一種穩定的、完全由細胞構成的形態學穩態結構。而且，Anthrobots 既不能有自我意識的移動，也不能自我復制。

目前，研究團隊正在探索多種控制機制，例如“自毀開關”（kill switch），即在需要時使用特定分子觸發機器人分解。此外，anthrobots 本質上仍是人類細胞的一部分，不涉及外源基因編輯，因此理論上不會引發免疫排斥反應。這種“生物兼容性”是其安全性的一個重要優勢。

總結

Gizem Gumuskaya 的研究代表了一種全新的生物制造模式，它結合了生物學的自組織能力與工程學的目標導向設計，為醫學、工程、可持續發展等多個領域提供了創新可能性。盡管這一領域仍處于早期階段，但隨著技術的成熟，生物機器人有望成為 21 世紀生物工程的革命性工具。

未來，隨著基因編輯、合成生物學和自組織技術的進一步發展，我們或許能看到越來越多的生物系統被設計用于特定任務，真正實現“活體機器”在人類社會中的應用。

1. Gumuskaya, G., Srivastava, P., Cooper, B. G., Lesser, H., Semegran, B., Garnier, S., & Levin, M. (2024). Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Advanced Science, 11(4), 2303575. https://doi.org/10.1002/advs.202303575

2. Scientists Build Tiny Biological Robots from Human Cells | Tufts Now. (2023, November 30). https://now.tufts.edu/2023/11/30/scientists-build-tiny-biological-robots-human-cells

3. Gizem Gumuskaya on Building Robots from Human Cells – Sean Carroll. (n.d.). Retrieved February 12, 2025, from https://www.preposterousuniverse.com/podcast/2024/04/29/274-gizem-gumuskaya-on-building-robots-from-human-cells/

4. Kriegman S, Blackiston D, Levin M, Bongard J. Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118(49):e2112672118. doi:10.1073/pnas.2112672118

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