人类与疾病斗争，已经需要纳米机器人了 | CCF-GAIR 2017

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据雷锋介绍:7月7日，由中国计算机联合会(ccf)主办、雷锋和香港中文大学(深圳)承办的第二届ccf-GAIR全球人工智能与机器人峰会在深圳如期开幕。会议第三天，香港大学教授、先进技术研究所所长、ieee ras候任主席宁作了会议报告。

宁教授认为，人类对生命的认识已经达到了分子和细胞的尺度，而药物研发和治疗手段的创新需要一种在分子和细胞尺度上进行测量和操作的方法——微纳机器人。他还列举了几个用于新药开发和诊断治疗的微纳机器人的例子。他认为微纳机器人拓展了人们的能力，使人们对自然的探索深入到纳米尺度，并将对人类的各个方面带来颠覆性的影响。

以下内容摘自耒教授的报告(公开号:雷锋网)，并有所删节:

今天，我想介绍微纳机器人在医学和新药开发中的应用。

我们知道医疗主要包括诊断和治疗。从工程学的角度来看，诊断就是测量人体的各种异常现象。从工程学的角度来看，治疗就是改变人类细胞的现有状态。机器人的两个重要功能:感知和操作在诊断和治疗中可以发挥重要作用。

首先，我们回顾人类与疾病斗争的历史。开始时，诊断是看病人看起来是否健康，而中医则看舌苔、颜色和面部。利用x光技术，我们可以看到身体内部、肺部和其他器官，并根据器官的形状来诊断病人的身体状况。现在医学已经发展到细胞和分子阶段，医学诊断也是如此。我们需要将诊断技术降低到微米和纳米尺度，并在细胞分子尺度上进行传感，以提供新的诊断方法。

治疗也是如此，从器官的角度出发，对器官进行操作。以西医为例，器官修复和切除都是这个规模。随着分子生物学的发展，外科手术从细胞水平和dna分子水平开始，而dna分子是控制细胞生长和发育的核心编码，细胞是器官和组织的基本单位，这将从更根本的原因上解决人类疾病问题。同时，随着规模的缩小，需要更小规模的传感和操纵方法。

为什么新药开发需要这个？

最传统的中药，是人类几十万年积累下来的，是通过不断的实验总结出来的，是时间积累的结果。传统的新药开发是基于靶向的新药开发，即基于信号通路的新药开发，它综合考虑疾病与各种因素的关系，并考虑副作用。这一水平的新药开发需要新的手段和新技术，即分子和细胞水平的传感和操作，这也为机器人的发展提供了一个新的应用领域。

药物开发是人类与疾病斗争的重要组成部分。如今，人类正面临着一个巨大的挑战，即开发新药的成本越来越高，开发一种药物需要近10年的时间，需要10-15亿美元。如今，新药开发的投资每年都在增加，但药品的数量基本持平，这表明新药很少，成本在增加，投入与产出的差距在扩大。

与此同时，新的疾病越来越多，其中许多是几十年前没有听说过的，但现在有许多新的疾病，药物的数量没有增加，成本越来越高。这是人类抗击疾病的一大难题。为了解决这个问题，我们需要开辟开发新药的新途径，我们必须用新技术来改变现状。

超限机器人

机器人和自动化技术能帮助我们解决这个问题吗？

人工智能和机器人是当今的热门领域，在制造业和生活中发挥着巨大的作用，在新药和医学诊断治疗中也发挥着巨大的作用。

机器人最初被用来代替人(机器替代)，被用来做人们可以做但不想做的事情，比如高度重复的劳动。然而，随着机器人技术的发展，机器人已经从简单的代替人变成了扩展人，不仅是人们不想做的事情，也是人们不能做的事情。例如，随着现代信息技术和网络技术的结合，机器人可以在很远的地方操作，这可以帮助人们克服距离带来的困难。

机器人在很小的范围内操作和测量，这意味着它可以克服规模带来的困难，在一个无形的环境中操作和测量。这样，它在医学诊断和新药开发中有许多应用。同时，机器人还可以进入人们难以进入的环境，如生理环境，进入人们的身体，帮助人们克服环境带来的困难。如果规模太小、太远、环境太特殊，人们做不到，但是在机器人的帮助下，我们可以克服这些困难。机器人帮助我们超越人类能力的极限以及规模、距离和环境带来的限制。

这就是超限机器人，它允许机器人扩展人类的极限，做人类不能做的事情。这一技术在新药开发和医学诊断方面有很大的应用。

在传统观念中，机器人在制造业中扮演着重要角色，比如汽车制造业。现在我们想知道如何将汽车制造中的自动化机器人技术移植到新药开发和医学诊断治疗中，从而克服人类在新药开发和医学诊断中所面临的挑战。

潜在的经济价值非常大。据统计，汽车工业的产值为7280亿美元，其中5080亿美元是使用自动化和机器人带来的。也就是说，没有机器人和自动化，就没有今天的汽车工业，也就没有今天人类所拥有的物质文明。

全球制药行业比汽车行业大，现在新药开发过程的自动化程度很低。机器人已经在汽车制造中得到大规模的应用，但是新药的开发大多是在实验室中通过人工操作完成的，自动化程度很低。根据类似经济学的统计原理，如果我们把机器人和自动化应用于新药的开发，潜在的经济价值是巨大的，远远超过汽车工业。

用于新药开发的纳米机器人

我们如何将自动化和机器人的概念应用于新药的开发？

我们想象，就像今天的装配线一样，传送带不断地将细胞送入机器人的空工作室，机器人将不同的药物放在细胞上，同时测量细胞、目标和不同药物的效果。

在整个过程的自动化中有几个关键技术来实现这个目标:第一，自动化运输；二是自动管理和自动计量管理。

这在汽车工业和制造业已经基本实现。但最大的区别是，汽车的装配和制造，所有部件的尺寸都一样，是一个结构化的环境，一切都是由人制造的。然而，在新药的开发中，每个细胞的生长方式不同，并且是非结构化的，因此从感知控制和规划方面对机器人技术提出了新的挑战。

为了迎接挑战，我们做了几件事。首先，机器人应该有操作手段。我们开发了纳米操作机器人，它可以在纳米尺度上操作和测量物体，这是非常重要的。对机器人来说，最重要的是让看不见、摸不着的东西看得见、摸得着，从而把药物放在特定的位置，并测量药物的效果。

例如，上图的右侧显示了一个纳米操作机器人，它是由操纵杆操作的。机器人可以在里面移动。右图下方是一个单元格。我们可以做一些手术，移除一些部分或在上面放一些药物。

为了实现这一点，我们应该在纳米尺度上展示环境，以便人们可以看到和操作。我们发现了一种可以在纳米尺度上高速成像并产生像视频这样的实时图像的技术，这有助于操作。我们使用压缩传感原理，因为尺度很小，我们需要高速测量环境，因为光学是不可见的，而且尺度太小，所以我们需要用原子力显微镜和电子显微镜来测量。

上图是实时图像，显示dna分子在液体中晃动。我们可以实时测量dna分子的运动，这是一个非常小的范围，因为dna分子的直径只有1-2纳米。

这是操作和测量的基础。有了这个，我们就可以运作了。

上图左边是一个dna分子，红色的是一个纳米机器人。我们让纳米机器人沿着dna分子移动，并把它保持在dna分子上，所以位置控制的精度要求是1-2纳米。它的功能是我们知道dna最重要的是测序，它可以预测未来的疾病。测序是测量四种不同的atcg分子。如果纳米机器人行走，它可以很快知道分子组成。这是一种快速测序dna的方法。

成像非常重要，但必须同时操作。手术时，必须进行微纳尺度的手术。手术要求机器人的末端执行器具有一定的刚度，而成像感知要求末端执行器非常柔软，因此手术和成像之间存在矛盾。例如，如果纳米尺度的探针很小很软，当你推东西的时候，它会弯曲而不动，这给纳米尺度的操作带来了很大的困难。但是它不能做得很硬。如果刚度太高，如果你触摸非常软的东西，你就不知道它是软还是硬，这将导致传感和测量精度下降。

我们解决这个矛盾的方法是给探测器增加一个驱动程序。通过控制驱动器，可以改变探头的机械特性，从而可以调节探头的刚度，并且在测量时探头变得柔软，使得测量环境的硬度变得容易。当你同时操作它时，使它变得困难。

例如，上图中的纳米线只有大约100纳米，是头发直径的千分之一。黑色的是探针。在我们加上控制信号后，探头本身变得坚硬，可以被推动。通过改变探针的机械特性，我们可以实现我们的目标。这是微纳操作中的一个重要例子。

纳米机器人是用于诊断和治疗机器人的相关技术。在医学诊断和治疗中有什么应用？

如治疗皮肤病中的牛皮癣。银屑病是一种免疫性疾病。人类皮肤的上皮细胞之间有一个蛋白桥粒。由于某些免疫疾病，人体会产生一种抗体(一种蛋白质)，这种抗体会攻击和破坏桥粒，并在人体表面形成许多水泡，这些水泡会腐烂。当时，整个过程的机制尚不清楚。一些人推测这是抗体，而另一些人推测这可能是由信号传递过程引起的。

由于环境的限制，很难研究。我们的方法是用纳米机器人机械切割桥粒。或者使用纳米机器人将抗体直接放在桥粒上，看看它们是否能被破坏。通过比较机械切割和抗体的效果，我们可以检验它们之间的异同，进而帮助确定这种疾病的病因。

最后，我们的研究证明这种皮肤病不是由机械作用引起的，而是由信号传递引起的。因此，工具和技术的改进使得研究以前困难的问题变得容易。

我们也可以用这种方法来研究干细胞的分解。干细胞非常重要，但是很难预测它们何时以及在什么条件下分解，也很难测量分解的状态。由于有了纳米机器人，一些干细胞的机械性能可以实时测量，分解状态可以预测。

在治疗领域应用纳米机器人的另一个成功例子是淋巴瘤。有一种治疗淋巴瘤的特效药-利妥昔单抗，它是一种靶向药物，已成功应用于临床。然而，耐药性是有区别的，即这种药物对某些人有效，对其他人无效。药物昂贵，治疗费用高。如果治疗效果不提前知道，不仅会浪费金钱，还会耽误宝贵的治疗机会。因此，需要一种在治疗前预测治疗效果的方法。

我们使用纳米机器人从病人体内取出癌细胞，发现只有当癌细胞靶和药物之间的结合力达到一定水平时，它才会有效。通过本研究，我们可以预测靶向治疗的效果，具有重要的临床意义。

另一个例子是细胞粘附的研究。细胞粘附直接影响伤口愈合。它在假肢领域也发挥着非常重要的作用。现在有一个成功的方法，就是把钢管插入骨头，这样假肢的效果就和真人一样了。但是，有一个很大的问题，就是当钢管插入到腿部时，皮肤会在钢管外面生长，但是经常会有缝隙，这样会引起细菌的感染。时间长了，会引起骨骼感染，最终导致义肢的摘除。人们期望研究细胞间的粘附，尤其是细胞与假肢间的粘附。了解其机理后，我们可以用一系列方法使其附着良好，防止感染。

这很难。例如，如何测量细胞的粘附力？利用纳米机器人开发了一种可以实时测量的方法来研究不同药物对黏附的影响。

另一个应用是测量离子通道中的离子电流。离子通道电流的实时测量对于了解细胞的生理功能和治疗多种疾病具有重要意义。然而，这很难衡量。传统的方法过去被称为膜片钳，它是一种技术活动，只有经过多年的实践才能测量。目前，纳米机器人技术可以精确定位和测量，使得复杂的过程非常简单，并且可以高速测量。

人耳中有内耳细胞，内耳细胞表面有许多纤毛，就像天线一样。当空空气中的振动传导到耳蜗时，它会使纤毛弯曲变形，然后打开特定的离子通道，产生信号，使人听到声音。因为离子通道的问题，很多人会聋。因此，有必要研究一种药物来改变这种现象，但是在研究药物的过程中，应该有一种方法来实时测量它，看药物是否能使离子通道正常。

然而，这种测量非常困难，因为它需要测量细胞上的离子通道，同时，它还需要产生机械刺激，这使得纤毛弯曲和变形，这需要在非常小的规模上进行精确的操作，这是非常困难的。利用纳米机器人，我们不仅可以对这些纤毛进行超微量和超精密的机械刺激，还可以测量离子通道，从而可以尝试不同的药物来了解它们的治疗效果。

综上所述，人类对生命的认知已经达到了分子和细胞的规模。因此，药物开发和治疗方法的创新都需要在分子和细胞尺度上进行测量和操作的工具，然后将传统的外科手术从器官水平降低到分子和细胞水平，这有助于我们进行医学诊断和开发新药，从而产生许多新的诊断和治疗方法来应对人类面临的疾病。

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