活细胞工程的机器人方法
450万美元的奖金用于资助bu领导的项目
长期以来，澳门威尼斯人注册网站研究人员一直在寻求使收集的活细胞能够执行所需的任务，从净化水道到在实验室中培养组织，但他们的努力在很大程度上依赖于反复试验。现在，由波士顿大学领导的一个科学家和工程师团队正在通过将合成生物学和微型机器人技术巧妙结合，开发一种更系统的方法。在美国国家科学基金会（NSF）为期五年、价值450万美元的网络物理系统计划（CPS）前沿拨款的支持下，澳门威尼斯人注册网站研究人员旨在设计细菌或哺乳动物细胞，使其表现出特定的行为，并指导一组微型机器人将这些工程细胞聚集在一起，共同完成预期的任务。
该团队汇集了控制理论、计算机科学、合成生物学、机器人技术和设计自动化方面的专家，包括波士顿大学工程学院（ENG）机械工程、电气与计算机工程和系统工程教授、首席澳门威尼斯人注册网站研究员Calin Belta；电气与计算机工程、生物医学工程和生物信息学副教授Douglas Densmore；宾夕法尼亚大学教授维贾伊·库马尔（Vijay Kumar）；Ron Weiss，麻省理工学院合成生物学中心的教授和主任；以及SRI国际的成员。
贝尔塔说：“我们想出了一个主意，让机器人以一种智能的方式控制工程细胞群中出现的预期行为模式。”贝尔塔将开发算法来催化这种行为。“我们的最终目标是从设计单个细胞到控制它们的整体行为的整个过程自动化，这样任何用户都可以从桌面提交请求。”
如果成功，这项澳门威尼斯人注册网站研究可能会在发育生物学方面产生新的见解，导致合成生物学更大的标准化和自动化，并使各种应用成为可能。这些技术包括纳米级机器人，可以在微米（百万分之一米）的水平上操作物体，以及芯片级技术，可以将干细胞转化为人体移植或药物设计的组织和器官。
该团队的第一个主要挑战是推进一个合成生物学平台——它被称为生物设计自动化（BDA）工作流系统——它可以预测地设计细胞来感知它们的环境，做出决定，并与邻近的细胞交流。为了制造这样的“智能细胞”，登斯莫尔将使用并增强他开发的软件来指定、设计和组装具有所需功能的基因网络（也称为基因电路），并将它们插入活细胞中。
“我们希望设计的复杂行为很难手工指定和分析，”Densmore说。“设计软件使这个项目易于管理，并正式捕获过程，以便将来使用它来实现新的发现。”
第二个挑战是设计能够影响细胞相互作用的微米级移动机器人，使它们最终产生特定的全局行为。每个微型机器人由有机和无机材料组成，由磁场和光控制，在指定的位置和时间与单个细胞相互作用和通信，实施所需的控制策略以实现所需的全局行为。例如，可以控制微型机器人，通过触发细胞内所需的化学反应来优化干细胞的组织形成。
最后，澳门威尼斯人注册网站研究人员将测试微型机器人如何能够指导工程细菌细胞和哺乳动物细胞集合的紧急全局行为。他们将尝试在大肠杆菌、仓鼠卵巢细胞和人类干细胞的肝组织中形成图灵模式——大小不一的点和斑块。在此过程中，他们将采用SRI开发的磁操纵系统来控制多个机器人，精度达到亚毫米级。
项目负责人还计划为高中生开展相关的教育活动；高中生和本科生实验室参观和竞赛；为澳门威尼斯人注册网站研究生举办的讲习班、研讨会和课程；以及针对代表性不足群体的具体举措。在波士顿大学，技术创新学者计划将开发动手设计挑战，并在波士顿的学校传播。
NSF CPS前沿奖旨在解决科学和工程领域的重大挑战，每年仅限于一到两个多所大学的团队，支持大规模工程系统，并依赖于计算算法和物理组件的无缝集成。