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【导语】在当代生物科技的前沿探索中，美国塔夫茨大学的研究团队创造了一项突破性创新——毫米级活体机器人“爪蟾机器人”（Xenobot）。这些微小却功能强大的生物机器人由非洲爪蟾胚胎细胞构建，其独特的生物电信号传导系统打破了生命体与机械的传统界限。通过超级计算机精确指导和模拟，爪蟾机器人展现出自主运动和微物体运输等能力，为再生医学和微创医疗开辟了全新路径。未来，这项技术有望为医学领域带来革命性突破，培育出具有特定功能的器官和组织。

在当代生物科技的前沿领域，美国塔夫茨大学（位于马萨诸塞州）研究团队开发的毫米级活体机器人“爪蟾机器人”（Xenobot）堪称突破性创新。这些直径仅0.5～1毫米的微型生物机器人由非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎表皮细胞和心肌细胞重组构建，其独特的生物电信号传导系统（传导速度0.1米/秒）模糊了生命体与机械的传统界限，为再生医学和微创医疗开辟了新途径。

这些外观呈云絮状的活体机器人并非简单拼装，而是通过计算机算法（分辨率达10微米）精确指导500～1000个胚胎干细胞自组织形成的功能性结构。在特定培养条件下（温度28℃、pH7.4），它们能自主运动（速度0.1毫米/秒）并完成微物体运输等基础任务，持续存活时间可达10天。

爪蟾机器人直径为650至750微米，以蛙类胚胎为原料制成。

这些微小却神奇的爪蟾机器人，直径仅相当于一根头发丝的宽度（650-750微米），是从青蛙胚胎中精心培育而来。科学家们像指挥交响乐一样，精确引导胚胎干细胞分化成不同细胞——坚韧的皮肤细胞构成骨架，而能自主跳动的心肌细胞则成为动力源。借助超级计算机的强大算力，研究人员模拟了上百万种细胞排列组合，最终找到了最优设计方案，就像用细胞拼出了一幅会动的生物拼图。

这些痕迹是一群爪蟾机器人爬行并移动微粒的轨迹

这些活体小机器能在培养液中存活长达10天，并以不同的优雅姿态游动： 有的像尺蠖一样直线前进，有的则跳着优美的圆舞曲。最有趣的是，模仿自然界“两头两尾”设计的版本，运动效率最高，就像一条微型毛毛虫在水里快乐地爬行。

依据设计的不同，爪(zhǎo)蟾(chán)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)移(yí)动(dòng)方(fāng)向(xiàng)也(yě)不(bù)一(yī)样(yàng)：例(lì)如(rú)，在(zài)这(zhè)个(gè)超(chāo)级(jí)电(diàn)脑(nǎo)程(chéng)序(xù)中(zhōng)，可(kě)以(yǐ)模(mó)拟(nǐ)出(chū)直(zhí)线(xiàn)或(huò)椭(tuǒ)圆(yuán)形(xíng)轨(guǐ)道(dào)。打(dǎ)造(zào)活(huó)体(tǐ)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)一(yī)大(dà)挑(tiāo)战在于弄清楚各细胞该如何配置。为了应对这一挑战，研究员与佛蒙特大学展开了合作，他们利用超级电脑运行了演化算法。这一算法能够模拟出细胞的不同配置，从而帮助研究员理解和预测不同配置对活体机器人性能的影响。

在研究过程中，研究员根据想要的特性，如耐用性和移动性等，对模拟结果进行了分析和优化。他们发现，一种最耐用的形态是模仿大自然中常见的结构，即前后各一条腿，中间以心肌细胞连结。这种配置的爪蟾机器人活动方式就像毛虫或蠕虫爬行，能够在水溶液中有效地移动。通过这种方式，研究员成功地打造出了具有特定功能和特性的爪蟾机器人。这一成果不仅展示了活体机器人制造的潜力，也为未来的研究和应用提供了重要的参考和启示。

从蛙类细胞到具备运作能力的机器人，爪蟾机器人的制作过程极为精细，主要包含以下关键步骤：首先，绘制生物蓝图。借助超级电脑，将不同功能的细胞类比为彩色积木，模拟推算出细胞排列与配置(zhì)方(fāng)案(àn)，为(wèi)打(dǎ)造(zào)具(jù)备(bèi)特(tè)定(dìng)功(gōng)能(néng)的(de)爪(zhǎo)蟾(chán)机(jī)器(qì)人(rén)奠(diàn)定(dìng)基(jī)础(chǔ)。接(jiē)着(zhe)进(jìn)行(xíng)干(gàn)细(xì)胞(bāo)采集。使(shǐ)用(yòng)一(yī)条宽约13微米的微型电烧线，精准刮擦发育中胚胎的最上层，获取所需的干细胞。

采集完成后，将干细胞置于低钙镁培养基中。在后续塑形阶段，钙镁离子将发挥关键作用，促使细胞凝结成块。之后对溶液进行搅拌，使采集到的细胞彼此分离。再对分离出的单个干细胞施以化学或基因处理手段，引导其分化成不同细胞类型。分化后的细胞被置于装有水的培养盘中保存，以备后续构建机器人之用。

进入建造环节，依据超级电脑模拟出的模型，利用微量滴管，人工将这(zhè)些(xiē)细(xì)胞(bāo)逐(zhú)一(yī)夹(jiā)取(qǔ)，并(bìng)分(fēn)层(céng)排(pái)列(liè)。为(wèi)使(shǐ)细(xì)胞(bāo)紧(jǐn)密(mì)黏(nián)合(hé)，将(jiāng)培(péi)养(yǎng)环(huán)境(jìng)中(zhōng)的(de)水(shuǐ)替(tì)换(huàn)为(wèi)维(wéi)持(chí)溶(róng)液(yè)，让(ràng)所有细胞凝聚成一个整体。

干细胞必须成为合适的组成单位

最后是“画龙点睛”之笔，运用另一条微型电烧线和手术钳，对细胞组合体进行精细雕琢，确保所有细胞精准就位，最终打造出爪蟾机器人。

这一过程不仅要求研究人员对细胞分化、组织形成以及生物体功能有深入的理解，还要求他们能够将这些知识转化为可被超级电脑理解(jiě)和(hé)模(mó)拟(nǐ)的(de)数(shù)学(xué)模(mó)型(xíng)。这(zhè)项(xiàng)科(kē)技(jì)不(bù)仅(jǐn)展(zhǎn)示(shì)了(le)细(xì)胞(bāo)的(de)可(kě)塑(sù)性(xìng)，也(yě)为(wèi)我们提供了一种全新的思路和方法来研究和应用细胞。未来，其他科学家可能会借鉴这种方法，尝试打造出不同形状和功能的活体机器人。如果这项技术能够进一步成熟和完善，我们或许能够利用它来培育出具有特定功能的器官和组织，为医学领域带来革命性的突破。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：黄乘明 中国科学院动物研究所研究员，海南大学特聘教授，中国动物学会监事，中国野生动物保护协会理事