超算+生物科技是如何造就人类生物数字梦的?

作者:珠海大横琴科技发展有限公司 浏览:1813 发表时间:2021-03-22 10:23:28

活体机器人Xenobots

提到AI你会想到什么?机器人、电脑芯片、语音助手还是无人驾驶?最近,来自佛蒙特大学和塔夫茨大学的科学家将人工智能技术提升到了一个全新的水平。

科学家在超级计算机的“进化算法”的帮助下,聚集了500到1000个皮肤细胞和心脏细胞(这些细胞均取自非洲爪蟾早期胚胎)重组出了一种长度不到1毫米新型“活体机器人”,这是第一个活体机器人,它可以进行自我修复,使用的皮肤和心脏细胞来自于青蛙胚胎的干细胞。其与大多数机器人的不同之处在于,它不是由塑料或金属制成,而是完全由有机细胞材料制成,并命名为Xenobots。可以可存活大约7天到10天。

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在细胞里绣花,超算怎么做到的?

全青蛙基因、可在水中存活、自我驱动、可“编程”……这一系列关键词听起来似乎是无机体已经出现,属于生物学的21世纪终将到来,指不定哪天生化危机就会在科学家的一次手抖下诞生……

关于这个充满了奇幻气息的话题,当然要从祛魅开始。

首先,研究人员从青蛙胚胎中提取活的干细胞,然后让它们孵化。接下来,一台超级计算机会为细胞设计特定的“身体形态”,并进行多次这样的操作,以确定哪个模型的动作效果最好。根据UVM报道称,这些模型是“在自然界中从未见过的形式”。

然后,研究人员使用这些电脑生成的设计来模拟实际的细胞。技术人员会经历非常紧张的过程,一个接一个地为每个细胞建模,将其连接到其他细胞上。

这种“机器人”最关键的优点就是可以随着寿命耗尽自然降解,不会造成污染。当然大家也不必担心,没有生殖系统让这些机器人不具备繁殖的可能,基本没有可能出现想象中的一个操作不慎,世界被“腐肉”占领的克苏鲁画面。而细胞也不具备神经系统,别说思维了,就连反射的边儿都碰不到,人造生物觉醒攻击人类的梦也可以醒一醒。

除去这些想象中的负面影响,活体机器人的应用价值恐怕也没那么容易实现。

在论文中,研究者提到了清理海洋中微塑料垃圾、为细胞设计囊袋在人体中精准给药、清理血管斑块等等作用。从理论上来讲,如果有一种可生物降解、能够通过编程改变形态、自我驱动运动的细胞生物存在,似乎确实能够实现上述能力。

但从现实情况来看,这种未来还是比较遥远。就拿为细胞设计囊袋实现精准治疗来说,为细胞设计囊袋这件事情虽然在计算模拟中实现了,但科学家却无法在现实中重现。至于清理血管甚至清理废水,则需要海量这样的细胞机器人才能够实现。

那么科学家是如何制作这些细胞机器人的呢?

答案并非是像大家想象中,如同游戏《孢子》一样输入几行代码就能生成不同的细胞组合,而是像绣花一样,在显微镜下用镊子捏。如此以来无法实现囊袋的设计,就无需意外了。

工程能力上本身的限制,决定了细胞机器人在短时间以内没法批量生产,更别提有关平衡成本收益的商业化应用了。

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超算在生物科技里的重要性

xenobots很小,如果我们愿意,我们可以让xenobots携带药物进入人体,甚至可以从动脉中刮出斑块;它们还可以自我复制以纠正基因缺陷或替换DNA分子;它们可以充当微型外科医生,用于修复受损细胞或完全替代细胞内结构。

它可以帮助收集海洋中的塑料微粒

这些年来,海洋中的塑料含量显著增加,太平洋上甚至还有一块有德克萨斯州那么大的垃圾带,解决这个问题将对水生物种和我们的供水质量极为有利。如果xenobots被派往海洋中收集塑料微粒,这将惠及所有人。

它可以用来清理放射性废物

核废料会导致许多动植物的癌变生长,还会带来一些遗传问题。核能很重要,我们必须找到更有效的解决办法来清理核废料。xenobots有可能解决核废料这个危险的问题,如果将其放到易产生核废料的地区,它们将发挥巨大的作用。

它们可以帮助科学家了解更多关于细胞生物学的知识

xenobots还可以帮助研究人员了解更多关于细胞生物学的知识,为人类健康和长寿打开未来发展的大门。

研究人员的网站上写道:“如果我们能按需制造出3D生物形态,我们就能修复出生缺陷,将肿瘤重新编程成正常组织,在创伤性损伤或退行性疾病后进行再生,并战胜衰老。”

神乎其技的xenobots可能听起来像科幻电影里的情节,人们难免会产生顾虑。但研究人员表示,没有必要过多担心,尽管超级计算机这种强大的人工智能在制造这些机器人中扮演了重要角色,但它不太可能产生恶意。

“目前很难看到人工智能如何比一个有才华、有恶意的生物学家更容易制造有害生物。”

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造就人类生物数字梦

研究人员在《美国国家科学院院刊》发表的研究谈到,传统的机器人“随着时间的流逝会退化,并可能产生有害的生态和健康副作用。”而生物机器人对人类健康更环保,更安全。

然而我们常常能从生物老师口中听到一些不太严谨的说法,像是“再精密的机械复杂程度也不如一个细胞”或是“人是最高级的智能体”,其实这些言论的核心观点就是一个——生物的复杂程度,导致其很难被以数字化的方式重现和模拟。

在计算机科学发展的历史,其实有无数人前赴后继的试图用数字化的方式对生物进行模拟。其中有2014年开始的众筹项目Wormsim,因为算力有限,于是科学家们选择了秀丽隐杆线虫只有约300个神经元和1000个细胞的生物,对于其大脑和神经系统进行了数字化模拟,实现蠕虫式遇到障碍物会转向的基本神经反射运动。又比如在对AI的追逐中,联结学派的思想之源就一直建立在对于人类大脑中无数相互连接的神经元的模拟上。而在2013年,欧盟还牵头携手26个国家和135个科研机构打造了“人类脑计划”,试图通过超算完全模拟人类的大脑。

当然以上这些计划,往往都是在脑科学、算力、存储能力等等方面的限制之下,浅尝辄止或彻底失败。

目前以xenobots为代表的生物+超算,大多选择了一种折中方案,不去模拟过于复杂的大脑或神经元系统,转而选择相对更加简单的细胞、基因等等。与其说注重实验成果应用性,不如说更注重实验计算过程的模块化和可复用,为整个行业提供更有价值的参考。

在这种时刻,与其说未来会发生所谓活体机器人被“邪恶科学家”利用毁灭人类之类的事件,其实真正正在到来的,是生物学科与超算、AI之间交叉学科的人才需求。超算平台如何打造更便利的开发工具、生物科学中是否会涌现出一批智能计算人才、是否会有AI企业去挖掘生物研究场景所需要的数据支持,这些都是值得我们思考的问题。

那些能改变世界的创新,通常不会在一个默默无闻的实验室中突然脱颖而出,而是一整个甚至无数个产业的互相配合共创,最终齿轮转动起来。


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