人类细胞制造的机器人，是“机器”还是“人”？

前言

当全世界的目光都聚集在大语言模型雨后春笋般的发布时，生物学领域正悄然重塑学术认知边界。

生物学在现代科学版图中的重要性已无需赘言。该领域的前沿突破不仅推动学科自身发展，更持续为工程学、临床医学等交叉领域输送创新范式。相比人工设计，自然演化而成的生物机制在微观精密调控、环境动态适应及损伤自修复等方面具有天然优势，因此，许多领域的技术的突破往往借鉴自然界已有的机制，这种方式被称为“拟态”。比如，春晚上转花手帕的机器人，就是通过不断矫正以模拟人的生理结构来达成的。

然而，最新的机器人技术已经放弃了模拟“人”，而是一步到位，直接借用人类的细胞来更好地使机器人的生理结构无限接近于“人”。

来自塔夫茨大学 Michael Levin 实验室的Gizem Gumuskaya 博士在 2023 年 11月发表的文章 “Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells” 上披露了一项最新技术，利用人类细胞制造了一种自组织生物体，称为“人源机器人”（anthrobots）。

吉泽姆·古穆斯卡亚

Gizem Gumuskaya

塔夫茨大学艾伦探索中心与哈佛大学威斯生物启发工程研究所生物学博士

吉泽姆·古穆斯卡亚是合成生物学家与建筑师，致力于融合设计与生物学，开发具有自构建能力的生物结构。她本科毕业于伊斯坦布尔理工大学建筑系，后赴麻省理工学院攻读建筑学与合成生物学双硕士学位，并在塔夫茨大学与哈佛威斯研究所完成生物学博士学位。其研究聚焦形态发生工程，通过设计引导生物组织自主生长为目标结构，以解决可持续建筑、医学及航天领域的难题。博士期间，她首创人源生物机器人Anthrobots，并主导DARPA资助的FACETS项目，探索细胞自组装三维工程结构。这些成果为开发生物自修复、碳捕获的建筑系统奠定基础，推动合成生物学向宏观尺度的应用拓展。她计划进一步将自构建技术延伸至大型低碳建筑领域，重塑未来人居环境。

这类生物机器人（Biobots）区别于传统机械装置，其本质是能自组织的人类细胞集合体，尺寸范围从发丝直径到铅笔尖。研究人员可以通过模块化组装技术，根据需求调整其功能性尺寸。这项研究还披露了 Anthrobots 的另外一个巨大优势：无需进行任何基因改造，就可以转化人类细胞，使之成为可为人使用的机器人。

虽然这一研究尚处于早期阶段，但已经展示出巨大的医疗应用前景，例如用于组织修复、药物递送、疾病检测等。这种生物机器人相较于其他依赖CRISPR技术的DNA纳米机器人，无需基因编辑即可实现自组装与自主运动。

▷相关论文：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

生物制造与“合成形态发生”

谈到其工作成果时，Gumuskaya 指出她的研究成果在工程学和科学界应该具有不同的应用。

在工程学层面上，她希望利用自然界已有的生物机制，突破传统人工系统的局限，构建前所未有的结构和活体组织。尤其是在构建方面。利用再生、愈合、复制基本构件、自我建构以及感知和响应环境的能力，通过合成形态发生（synthetic morphogenesis），将这些特点引入工程领域。

在科学层面上，她希望她的研究有助于理解形态发生（morphogenesis）——即生物如何从单细胞发展成复杂的多细胞有机体——是如何发生的。这不仅能揭示自然界的基本规律，还能为生物工程提供新思路。

▷人源机器人。图源：Gizem Gumuskaya

形态发生作为生命世界的通用法则，从细菌生物膜的群体行为到人类器官的精密发育，都遵循着这一特定的组织逻辑。结合了工程界和学界的目标后，Gumuskaya提出 “合成形态发生”这一策略。合成形态发生，本质是在解码这些自然发育密码的基础上，主动干预并引导生物结构的形成，使其具备特定功能。这种方法不同于传统的基因编辑，而是基于细胞已有的自组织能力，通过环境调控实现工程化目标。此外，相较于传统人工材料，比如金属，玻璃等，这些材料通常都十分脆弱且不可自我修复。自然界的系统则通常具有自我修复的能力。

这种“师法自然”的研究方式实际上非常现代。20 世纪前，由于人们对自然的理解有限，很难阐明某一自然现象背后的机制，所以更多的技术革新多停留于表象模仿上，比如人类通过观察鸟类飞行原理制造飞机。21 世纪后，人们开始研究自然界系统的内在规律，并尝试重新编码并利用它们，既保留了自然界独有的特性（如自我构建或再生能力），又将人类工程设计的思维嵌入其中，最终催生出生物机器人（biobots）这类"自然-人工"混合体。

从“异种机器人”到“人类细胞机器人”

Anthrobots并非横空出世。研究团队曾利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎细胞开发的“异种机器人”（xenobots），是第一批完全由生物细胞构成的生物机器人。

在此之前，生物机器人的领域已经存在，但很多研究实际上是细胞与凝胶或支架的混合体——通过这些支架或其他支持材料，可以添加细胞并利用它们的生物特性，比如通过光遗传学激活它们——所以称这些生物机器人是混合型的。基于之前坚实的实验基础，Xenobots 可以不依赖任何人工支架，而是完全由活细胞自组织形成，在培养皿中展现出自主移动能力，并表现出一定程度的自我修复能力。

▷Xenobots 实际上是由 Douglas Blackiston 直接在显微镜下用解剖刀“雕刻”出来的。这或许是造物主的刻刀第一次握在人类手中。图源：Douglas Blackiston

Anthrobots作为Xenobots的医学应用升级版，面临使用人类胚胎细胞的伦理桎梏。研究团队为了构建表面覆盖纤毛的球形结构，以便在生物环境中实现自发运动，选择了人类气管上皮细胞（NHBE）作为替代，该类细胞天然携带纤毛发生基因，而纤毛是推动细胞运动的重要结构。

在传统培养方法中，一般将气管细胞在Matrigel培养基中培养14天，这之后得到的细胞通常会形成腔体内部带有纤毛的球形结构，这与研究目标相反。为了解决这一问题，研究人员尝试通过去除Matrigel培养基，并将细胞团转移至低粘附环境，同时添加维甲酸（Retinoic Acid, RA），来诱导形球形细胞团经历“反转形成”（eversion），使纤毛暴露于外部。这样一来，细胞就可以实现自主运动的能力。

研究团队记录了Anthrobots的运动轨迹，并计算直线性指数（Straightness Index，0-1区间，1为完美直线）和旋转指数（Gyration Index），并使用无监督聚类（Ward.D2算法），将Anthrobots的运动轨迹分为四种主要运动类型（直线、曲线、循环、无规律运动）。在获得以上数据后，研究团队再将观察到的细胞形态数据和运动轨迹数据结合分析，以阐明形态特征（如最大半径、表面纤毛密度等）如何影响人类细胞机器人的运动模式。

▷Anthropods 运动轨迹。

生物机器人的多样性与行为模式

研究团队通过显微成像和运动轨迹分析发现，即使使用相同的细胞培养方法，形成的 anthrobots 仍呈现三种形态分化：全纤毛覆盖型因纤毛扭矩相互抵消，导致较小个体仅能高频颤动；局部纤毛覆盖型凭借不对称纤毛分布，使其能够定向直线位移；非对称纤毛型则因单侧纤毛束形成力矩差，呈现持续圆周运动。

这一发现表明，形态结构直接决定了运动模式，为进一步控制生物机器人的行为提供了可能性。例如，在医疗应用中，可以选择旋转型机器人在特定区域停留更长时间，而直线型机器人用于大范围巡航。

组织修复潜力：对神经细胞的影响

除了自主运动能力外，该研究的一个重要发现是 anthrobots 还可能促进神经组织修复。在实验中，研究团队通过机械划痕法构建人类皮层神经元单层损伤模型（scratch assay），然后系统观测到这些机器人不仅能够穿越损伤区域，而且促进神经元的生长和迁移。此外，当多个 anthrobots 聚合形成更大的结构时，它们甚至可以充当“桥梁”，帮助断裂的神经细胞重新连接。要知道，大部分神经元在损伤后无法自我修复，并导致突触因此受损，anthrobots这一能力为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的治疗开辟了新路径。

目前，研究人员仍在探索这种修复机制的具体原理，初步证据指向纤毛释放的细胞因子或生物电信号。虽然确切机制尚未明确，但这一发现为生物机器人在神经再生和组织修复领域的应用提供了重要依据。此外，这些研究仍需要体内实验来验证 Anthrobots 在真实生物亭内的行为和生物相容性。

未来展望：从医疗到可持续建筑

Anthrobots 的成功标志了未来体内机器人的可能方向，但是这个研究也有一些不足之处，在使用纤毛运动抑制剂（Ciliobrevin D）验证运动依赖性时，虽明确运动是神经修复的必要条件，却未能解析纤毛摆动的时空协调机制；此外，Anthrobots的运动模式仍然是自发的，现有技术仅能通过调控基质刚度等环境参数间接影响群体运动趋势，仍无法实现单细胞级别的精准定向操控。

虽然目前仍处于基础研究阶段，但Anthrobots已显现十分广阔的应用前景。短期内，它们可能能用于神经再生、药物递送、组织工程等医疗领域。例如，利用不同运动模式的机器人精准输送药物，或在体内执行局部修复。

此外，Gumuskaya 还希望将“生物建筑”概念引入可持续发展领域。目前，建筑行业是全球碳排放的重要来源，而生物系统具有自我构建和碳封存能力。如果能借助生物工程设计出可自组装、可降解的建筑材料，将极大地减少传统建筑对环境的影响。

挑战与伦理考量

尽管生物机器人在医疗和工程领域展现出巨大潜力，但也引发了一些安全和伦理问题。例如，如何确保机器人在体内的可控性？机器人是否会对健康造成潜在风险？

人类细胞机器人，究竟是人，还是机器？Gumuskaya 认为，目前来看，anthrobots 本质仍属人类细胞衍生物，是扩展了人类可以用自然材料创造的稳定形态的范围。也就是说，研究员们并没有无中生有地制造那些青蛙胚胎，而是自然形成的。但通过使用它们，我们能够创造一种稳定的、完全由细胞构成的形态学稳态结构。而且，Anthrobots 既不能有自我意识的移动，也不能自我复制。

目前，研究团队正在探索多种控制机制，例如“自毁开关”（kill switch），即在需要时使用特定分子触发机器人分解。此外，anthrobots 本质上仍是人类细胞的一部分，不涉及外源基因编辑，因此理论上不会引发免疫排斥反应。这种“生物兼容性”是其安全性的一个重要优势。

总结

Gizem Gumuskaya 的研究代表了一种全新的生物制造模式，它结合了生物学的自组织能力与工程学的目标导向设计，为医学、工程、可持续发展等多个领域提供了创新可能性。尽管这一领域仍处于早期阶段，但随着技术的成熟，生物机器人有望成为 21 世纪生物工程的革命性工具。

未来，随着基因编辑、合成生物学和自组织技术的进一步发展，我们或许能看到越来越多的生物系统被设计用于特定任务，真正实现“活体机器”在人类社会中的应用。

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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