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| 本文作者： 任平 | 2021-09-30 11:55 |
2021年9月10-13日，2021世界機器人大會（WRC）在京召開。
在12日全天的未來峰會上，中國科學(xué)院沈陽自動化研究室主任、機器人學(xué)國家重點實驗室副主任劉連慶，主持召開了人機共融未來時代的 “新前景”、“新風(fēng)向”兩項論壇，并重點分享了微納機器人和類生命機器人的研究進展與發(fā)展趨勢。
劉連慶主任負責(zé)機器人學(xué)國家重點實驗室微納機器人和類生命系統(tǒng)課題組，從事微納尺度下機器人的感知、驅(qū)動和控制方法研究，推動生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用；以及生命系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的融合方法、類生命體的建模和控制技術(shù)，推動新一代機器人系統(tǒng)創(chuàng)新突破。
在我們所處的宏觀世界中有多種機器人，比如各種工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、特種機器人等。而在微觀世界中進行探索和操作則需要一類“小”機器人，它們能在微米尺度甚至納米尺度進行操作，這就是微納米機器人。
由于微型機器人尺寸小，所以它可以進入比較狹小的空間，比如微流控管道，生物芯片，甚至生物體血管內(nèi)。通過控制微型機器人的運動，可指定它到一個位置進行探測。
在對話中，劉連慶主任講到，現(xiàn)在的微納機器人面臨的主要問題是如何找到合適的材料和驅(qū)動能源。大的趨勢是逐漸向活性、完全生物兼容性、生物可降解的方向發(fā)展，比如人體寄生細菌、心肌細胞或者骨骼肌細胞。現(xiàn)在劉老師團隊正在研究用趨光性藻類細菌做機器人，也在考慮通過人體自然腔道的路徑推動高效治療。
交談中，劉連慶主任流露出一個真切的態(tài)度：科技工程要有抓手。類生命器件“抓”來了物種進化億萬年的生存能力，微納機器人“抓”來了依附人體的寄生細菌。生命課題不僅要虛遠處遙望，也要向?qū)嵦幪綄ぁＩw豐富，人體奧秘自有章法，要在創(chuàng)新中發(fā)現(xiàn)并發(fā)揮其價值，催動現(xiàn)代效能。
本次世界機器人大會上，雷鋒網(wǎng)（雷鋒網(wǎng)）有機會與劉連慶老師親面對話，以下為對話實錄。
Q：老師，您是長期從事微納機器人學(xué)（微型機器人和納米機器人）和類生命器件方向的研究，在研究領(lǐng)域，納米機器人有多大?
劉連慶：納米機器人的尺寸，學(xué)術(shù)界并沒有嚴格定義，通常指機器人至少在一個維度達到了納米尺度。這里說的納米尺度并不是要求在1納米(10的負9次方米)以下，可以在10納米到100納米之間。比如一個納米機器很長，但很細，直徑不到100納米，也可以稱為納米機器人。也有學(xué)者認為納米機器人只要本體尺寸小于1um(微米)就行，所以學(xué)術(shù)界通常用微納機器人來泛指自身尺寸很小、能夠注射進入人體的機器人。
Q：微納機器人學(xué)和類生命機器人現(xiàn)在成熟度如何，達到了什么精度？
劉連慶：微納機器人已經(jīng)在實驗室階段了，類生命機器人程度更低一點。具體來說，微納機器人已經(jīng)在老鼠身上做實驗了，類生命機器人現(xiàn)在還處在實驗室探索階段。
我舉個例子，現(xiàn)在我們能夠?qū)ξ⒓{機器人進行群體控制，從而進行靶向藥物的傳遞。現(xiàn)階段能夠在老鼠身上做實驗，證明了在活體小動物上，納米機器人可以被集群控制。同時，納米機器人集群對實體瘤定向性殺傷作用效果顯著。
不過必須要指出的是，學(xué)界并沒有對這些老鼠進行長期的跟蹤。如果在人身上使用時，納米機器人不僅能夠殺傷癌細胞，還要對人體盡可能沒有副作用。但生物學(xué)實驗上，目前幾乎所有已發(fā)表的論文只關(guān)注主要指標(biāo)，就是能不能把腫瘤消除，對老鼠其他生理狀態(tài)觀測比較少。所以，不能輕易下結(jié)論說微納機器人比現(xiàn)有放療、化療好很多，只能說在“藥物傳遞效率”這一指標(biāo)上比傳統(tǒng)方法要好。
類生命機器人跟動物和人體實驗比較遠。我們總是說仿生，仿生更側(cè)重形態(tài)模仿和功能模仿，比如比較流行的四足機器人、仿蝙蝠機器人，都是比對著動物結(jié)構(gòu)和功能發(fā)展而來，整個機器人的本體都是基于非生命體材料構(gòu)建的。但類生命機器人不是仿生的概念，它是把生物進化的功能直接拿出來，集成在機器人上來用。
核心是將生命系統(tǒng)與機電系統(tǒng)在分子、細胞和組織尺度上進行深度有機的物理和信息融合，形成一種新型的基于生命功能機制的機器人系統(tǒng)，從而使機器人能夠兼具生命系統(tǒng)的優(yōu)勢和傳統(tǒng)機電系統(tǒng)的優(yōu)點。
我舉個例子，響尾蛇能感受紅外線，它能感受紅外線并不是依靠眼睛，它是有一個叫TRPA1的離子通道，我們就把離子通道拿出來，脫離響尾蛇而轉(zhuǎn)染到一個模式細胞上，從而用這個細胞去感受紅外線。
狗也一樣，它有很好的嗅覺，我們搞清楚它的嗅覺的離子通道和基本原理，再把這些分子機理轉(zhuǎn)染到我們的模式里，相當(dāng)于我們做了一個人工的類生命器件，把狗的嗅覺能力在人工器件上得到復(fù)現(xiàn)。
我們做出了一個紅外可見光的感知的器件，能感受紅外線，靈敏度比響尾蛇還差很多，但這是走出的第一步。
Q：您之前說到人機共融這方面，第一步先是人機協(xié)同、第二步組織融合、第三步是細胞融合，這就是剛才您講到的的類生命器件吧？
劉連慶：對，人機共融分三塊。一個是獨立個體的互助共融，比如有個工業(yè)協(xié)作機器人，機器和我是完全分開的物理體；還有一種是穿在身上的外骨骼機器人，它是身機同體的互補共融。比如我力量沒那么大，但是外部骨骼給我一個力量，我就能舉起來重物了。
還有一個是同生共體，簡單的例子，比如說我想讓這些電子器件跟身體長在一起，我一進屋，只要我就這么一想，燈就亮了。還比如說一個色盲的人，他做了一個傳感器，上面帶個相機，相機一拍照，他就能把這些顏色信息跟腦子連起來，直接傳到大腦里，這樣他就能“看”到紫外線了，說是看到，其實是探測到了。
Q：在昨天高小榕教授談到，他現(xiàn)在對有創(chuàng)的腦機接口還是很謹慎的，您剛才談到同生共體，這算是一種侵入式的機器人研究嗎，現(xiàn)在的研究程度如何？
劉連慶：我剛才說的半人半機器那是更長遠的事了，比如什么時候能做出一個機器人，讓它像響尾蛇一樣感受到紅外，這太難了。我們可以先在人體外做測試，直接把生物在大自然億萬年中進化的功能在體外得以復(fù)現(xiàn)，這是一條路。
Q：目前國內(nèi)外微納機器人的研究進展如何?
劉連慶：從發(fā)表文章的數(shù)量、質(zhì)量和實驗進展來看，在微納機器人方向上，我國跟國際領(lǐng)先水平是同步的。
從實驗進展來看，也基本與國外持平，國內(nèi)已將微納機器人應(yīng)用到小動物身上做實驗了，比如老鼠等。現(xiàn)在大家都在爭著往大動物上做，從大動物到靈長類再到人。但是能做靈長類實驗需要經(jīng)過嚴格的審批，全國有資質(zhì)的單位并不多。“十四五”期間，我國科學(xué)家的目標(biāo)是在大動物身上開展實驗，比如家豬、狗等。
Q：那就是說微納機器人主要往醫(yī)學(xué)方向發(fā)展吧？
劉連慶：對，微納機器人現(xiàn)在最重要的就是醫(yī)學(xué)方向。今年上海交通大學(xué)攜手《科學(xué)》雜志發(fā)布的“全世界最前沿的125個科學(xué)問題”中，人工智能領(lǐng)域有一個問題：“可注射的抗病納米機器人會成為現(xiàn)實嗎？”實際上，醫(yī)學(xué)腫瘤治療是現(xiàn)在大家最感興趣的方向。
Q：微納機器人真正落實到就是說到臨床上，您覺得可能還要多少年？
劉連慶：這個挺難估計的，但是我覺得在大動物身上做實驗5年之內(nèi)肯定可以。目前，用大動物做實驗準入門檻相對比較低，學(xué)校和有資格的醫(yī)院可以聯(lián)合做。如果想做猴子等靈長類動物的實驗，需要進行嚴格審批。盡管技術(shù)是相通的，但從動物保護、倫理等方面考慮，想做靈長類動物或者人體實驗，還需要一個相對較長的過程
Q：現(xiàn)在科學(xué)家研究納米機器人用于醫(yī)學(xué)上的癌癥治療，納米機器人可以理解為靶向藥嗎?
劉連慶：我覺得還不全面。研究納米機器人的一個目的是把它變成靶向藥的載體，使其定向輸送藥，但是納米機器人還有別的作用。舉個例子，比如患者做了一個手術(shù)，在體內(nèi)留下創(chuàng)傷。納米機器人可以自己組織起來形成一個平面，類似于創(chuàng)可貼，貼在傷口上。此時它的作用就不是輸送藥，而是進行傷口的愈合。
隨著今后的發(fā)展，科幻電影中的場景可能成真。比如納米機器人有了執(zhí)行能力，人體心腦血管有阻塞的地方，它可能相當(dāng)于挖掘工或者搬運工，有手有爪，能抓住和殺死細胞，把阻塞部位疏通，所以把納米機器人理解為靶向藥并不全面。
雖然目前納米機器人主要應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、癌癥治療，但未來，它也可以像納米灰塵一樣，攜帶傳感裝置收集信號，可能對國防、環(huán)境監(jiān)測發(fā)揮作用。
Q：老師您認為，在整個微納機器人領(lǐng)域，難題是什么？
劉連慶：現(xiàn)在的納米機器人各式各樣的材料都有，但大的趨勢是逐漸向生物可降解、完全生物兼容性的材料方向發(fā)展。因為要進入人體的納米機器人，其材料一定要有生物兼容性。
目前使用最多的是磁性材料，但其生物兼容性稍微差一點兒。現(xiàn)在被研究的具有生物兼容性的材料很多，比較有代表性的是可降解的水凝膠或者多肽。但具有生物兼容性的材料也存在一個問題。舉例來說，使用磁性材料，納米機器人進到人體之后，人們可以通過外磁場對其進行控制。如果換成生物兼容性材料，能源從哪兒來、怎么控制它就變成了新的問題。
Q：老師您現(xiàn)在的一些課題項目都有哪些突破口？
劉連慶：我們現(xiàn)在在研究基于生物細胞和細菌的這種微納機器人。人身上與很多種寄生的細菌，一是它毒性不大，而且是生物兼容的；二它能養(yǎng)活自己，從血液或者體液里等吸取能量。
比如我們用藻類細菌做機器人，因為它有趨光性，就可以通過導(dǎo)進光的方式實現(xiàn)它的控制。當(dāng)然我們還會用細胞做機器人，比如從人身上取他自己的心肌細胞或者骨骼肌細胞，因為這個細胞和人體本來就是生物兼容的，還能代謝掉或者自己分泌成人體可以吸收的物質(zhì)。
但是我現(xiàn)在在想，如果微納機器人進入血液里治療腫瘤比較難，走自然腔道可能會更快一點，就像一個超小膠囊。
所以我們剛才說到類生命機器人，指的就是要用活性材料來做機器人，而不是用無機材料，不是用鐵、磁粉。那些都是死材料，我們要用活材料，用細胞、用細菌做微納機器人的本體，我想這可能是生物兼容性的一個非常好的解決方案，第二對能源的供給也可能是一個比較好的解決方案。
Q：在微納機器人領(lǐng)域，接下來這幾年，您會有一個什么樣的長遠目標(biāo)，或者是想要實現(xiàn)什么樣的一個應(yīng)用效率？
劉連慶：第一個就是大動物實驗，這個是要做的。第二個我們想和國內(nèi)外的一些醫(yī)藥企業(yè)合作，比如醫(yī)藥管理局。因為我們不能只看微納機器人這一個綜合指標(biāo)，它進入人體把腫瘤殺傷，但它有沒有副作用？現(xiàn)在的實驗老鼠、豬、狗也不能顯示準確的生理反應(yīng)，但是從藥物開發(fā)的角度仍然有很長的路要走，所以微納機器人領(lǐng)域還要建立一個系統(tǒng)性的評價體系。
現(xiàn)在微納機器人的主要指標(biāo)是藥物輸送效率，治愈率，但是副作用和周邊影響如何評價，我覺得這不僅是臨床醫(yī)生和我們搞工程的人就能做的，而是要和藥學(xué)，甚至是藥物審批管理結(jié)合起來，建立一個綜合治療體系。現(xiàn)在都是跟醫(yī)生合作，還在一個初始階段。
Q：您是第幾次參加世界機器人大會，感覺怎么樣，大會對您的研究領(lǐng)域有沒有推進作用？
劉連慶：每次都來。我覺得世界機器人像機器人領(lǐng)域的奧林匹克競賽，它不是一個純學(xué)術(shù)會議。這是一個擴寬知識面的地方，方便大家了解整個機器人領(lǐng)域的前沿動態(tài)、最新產(chǎn)品。
我覺得世界機器人大會的定位挺不錯的，因為學(xué)術(shù)上有ICRA、中國機器人學(xué)術(shù)年會那種純學(xué)術(shù)的會議，還缺少一個能夠面向公眾，既有教育目的，又有信息傳播能力，還能了解國內(nèi)外學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的會議。這個大會不僅有論壇、大賽，還有企業(yè)展覽，方便大家交很多朋友，這一點意義挺重要的。
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