中国开源软件网

当前位置: 首页 > 科学 >

前沿,活体机器人的创造主要分为两步

时间:2020-06-29 19:56来源:互联网 作者:小狐

从鸟类到飞机、从鱼类到潜艇、从蝙蝠到雷达、从壁虎到吸盘…从古至今,人类一直在从大自然中吸取灵感,并创造出适用于生产、学习和生活的先进技术。而随着超级计算机技术的迅猛发展,那些高度复杂的科研难题,正在加速变为现实应用。

Xenobot:细胞组成的“机器人”

2020年初,人类史上首个活体机器人—Xenobot由美国佛蒙特大学计算机科学家和塔夫茨大学生物学家所组成的团队成功创造,此一出便引发各家媒体争相报道。

作为一项全新的科研成果,Xenobot完全颠覆了人类的认知。 严格来说,它既不是传统的机器人,也不是动物物种,而是一种活的、可编程的有机体。

前沿,活体机器人的创造主要分为两步(图1)

与传统的动物不同,Xenobot虽然是由100%生物细胞构成,但却属于人工拼接,即细胞间并不会像生物体内的细胞一样相互。这群互相不“认识”的生物细胞可以在营养环境中自由移动,甚至在被切开后自动愈合。

由于上述这些特性,活体机器人有望应用于其他机器人做不到的场景, 比如寻找有害化合物或放射性污染物、在海洋中收集微塑料、在人类的动脉中穿行、清除口腔内的牙菌斑等等。

而更值得期待的是,如果让这群机器人携带药物进入我们的身体,向有害病毒精准投放,治疗疾病岂不是事半功倍?

对于以上的种种可能,我们不禁好奇:这个超出人类想象的活体机器人到底是如何诞生的?

加速:超算实现的进化算法

根据媒体报道,活体机器人的创造主要分为两步:第一步,由佛蒙特大学研究人员利用该校的“深绿”超级计算机设计细胞组合后的形状;第二步,由塔夫茨大学的生物学家完成细胞的组装和。

在设计过程中,研究团队使用一种进化算法,根据科学家为机器人设定的任务(如朝着一个方向移动)基于表皮细胞和心肌细胞的生物物理基本规则,运用超算模拟上百个细胞可能产生的排列组合,再进一步筛选出数千个候选设计方案,最终选取出最有前途的方案进行。

前沿,活体机器人的创造主要分为两步(图2)

在组装环节里,生物学家收集了爪蛙的胚胎干细胞,将其分离成单个细胞进行培养,形成皮肤细胞和心脏细胞。使用微型镊子和电极,将这些细胞切割并按设计方案进行连接。最后,这些细胞会组装成自然界中从未出现过的形态并协同工作,其最终形态以皮肤细胞为主体支架,同时依靠心肌细胞在稳定的化学环境中的不断收缩而向前运动。

毋庸置疑,在上述各个创造环节中,超级计算机强大的数据处理能力构成了快速筛选最优方案的基础,也是决定活体机器人创造成败的关键一步。在超算的辅助下,人类仿佛扮演了造物主的角色。

而超算之所以强大,主要得益于处理器集群内成千上万个CPU的并行运算。以我国的神威·太湖之光为例,48个机柜中搭载40960个中国自主研发的“申威26010”众核处理器,每个众核处理器又有260个核心,强大的计算能力让其峰值运算速度超过10亿亿次/秒。

前沿,活体机器人的创造主要分为两步(图3)

正是因为极强大的数据存储容量和极快速的数据处理速度,让超算可以在多个领域进行普通计算机无法进行的工作。

在医疗相关领域,高性能计算一直都是精准医疗所需的关键性技术,尤其是目前最需要突破的研究领域—COVID-19新型冠状病毒的防治。具体应用方面,超算技术主要支持科学家研究病毒的毒性、传播模式、病原体与宿主间的相互作用,进而助力流行病学及疫苗设计研究。这些工作对于未来创建更好的诊断方法和设计有效的疫苗或其他保护性措施(例如免疫疗法)至关重要。

前沿,活体机器人的创造主要分为两步(图4)

此外,超级计算机还被用于基因测序、药物研发、模拟人体内的生化反应和器官工作机理等生命科学领域。

超算的中国力量

而在这一潜力市场中,中国已成为一股不可忽视的技术力量。

在超级计算机领域,我国已跃升到国际先进水平国家之列。我国第一台超算是国防科技大学计算机研究所在1978年自行研制的“银河-I”运算速度为每秒1亿次以上。至2013年,“天河二号”摘下世界超算500强桂冠,中国超级计算机研制达到了世界领先水平。三年后,世界首台峰值运算能力超过每秒10亿亿次、拥有千万核的超级计算机—“神威·太湖之光”诞生,在2016年至2019年连续四次雄踞“全球超级计算机500强”榜首。

纵览中国超级计算机领域40余年发展史,企业的参与也是其迅猛发展的重要驱动因素之一。

以联想控股旗下联想集团为例。 在超算领域,联想集团正在助力中国和全球的技术进步。

前沿,活体机器人的创造主要分为两步(图5)

在2019年底发布的中国超级计算机TOP100榜单中,联想集团在中国最强的100台超级计算机中独占39套,位列制造商第一名。中国最强的十台超算中,除了由国家并行计算机工程技术研究中心与国防科技大学建造的集群之外,其余全部由联想集团研制部署。

而放眼国际,联想超级计算机同样领先全球。2020年6月23日,TOP500组织发布了最新的全球超级计算机TOP500榜单。榜单显示,在全球浮点运算性能最强的500台超级计算机中,联想集团制造的超算入围180台,较上份榜单的173台增加7台,数量远超其他厂商,再次名列全球高性能计算商份额第一名。

随着大数据时代的到来,超级计算机将会在未来信息化发展中大放光彩。而中国领先的超算技术也将全面推动我国数字经济的发展,进而为人们带来更为智能的生活体验。

参考文献

全球首个活体机器人诞生 靠自己活动、可编程、会自愈

“活体机器人”明明是细胞构成,为什么还叫机器人?

超算TOP500新榜单公布,联想继续蝉联全球最强超算供应商冠军

THE END

本文相关词条概念解析:

超级计算机

超级计算机指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的电脑,其基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异,但规格与性能则强大许多,是一种超大型电子计算机。具有很强的计算和处理数据的能力,主要特点表现为高速度和大容量,配有多种外部和外围设备及丰富的、高功能的软件系统。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一太(Trillion,万亿)次以上。超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机,多用于国家高科技领域和尖端技术研究,是一个国家科研实力的体现,它对国家安全,经济和社会发展具有举足轻重的意义。是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。

网友评论

相关文章