中国这个实验室正在研究“看不见的机器人”,专访负责人

新京报

发布时间: 09-1315:05新京报社官方帐号,优质财经领域创作者

在2021世界机器人大会博览会上,大块头的机器人和强壮的机械臂格外吸睛。然而在实验室里,科学家和工程师正在研发一种机器人,它们虽然微不可见,本领却很大,未来或将治疗人类癌症,并产生颠覆性的变革,这就是纳米机器人。

纳米机器人研究发展到什么阶段了?科幻场景何时能成真?在今年的世界机器人大会上,新京报记者采访了中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室副主任刘连庆,他长期从事微纳机器人研究。

中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室副主任刘连庆。受访者供图

纳米机器人材料应具备生物可兼容性

新京报:纳米机器人有多大?

刘连庆:纳米机器人是指机器人自身尺寸很小,但是学术界并没有一个严格尺寸定义,通常指机器人至少在一个维度特别小,达到了纳米尺度。这里说的纳米尺度并不是要求在1纳米(10的负9次方米)以下,可以在10纳米到100纳米之间。比如一个纳米机器很长,但很细,直径不到100纳米,也可以称为纳米机器人。也有学者认为纳米机器人只要本体尺寸小于1um(微米)就行,所以学术界通常用微纳机器人来泛指自身尺寸很小、能够注射进入人体的机器人。

新京报:纳米机器人是用什么材料做的?

刘连庆:现在的纳米机器人研究主要集中于人体之外,做前期基础理论的研究,所以各式各样的材料都有,没有形成最终形态,但大的趋势是逐渐向生物可降解、完全生物兼容性的材料方向发展。因为真正要进入人体的纳米机器人,其材料一定要有生物兼容性。

目前,研究纳米机器人最多使用的是磁性材料,但其生物兼容性稍微差一点儿。现在被研究的具有生物兼容性的材料有很多,比较有代表性的是可降解的水凝胶或者多肽。但具有生物兼容性的材料也存在一个问题。举例来说,使用磁性材料,纳米机器人进到人体之后,由于其自带磁性,人们可以通过外磁场对其进行控制。如果换成生物兼容性材料,能源从哪来、怎么控制它就变成了新的问题。

纳米机器人未来可应用于国防、环境监测领域

新京报:现在科学家研究纳米机器人用于癌症治疗,纳米机器人可以理解为靶向药吗?

刘连庆:我觉得还不全面。研究纳米机器人的一个目的是把它变成靶向药的载体,使其定向输送药,但是纳米机器人还有别的作用。举个例子,比如患者做了一个手术,在体内留下创伤。纳米机器人可以自己组织起来形成一个平面,类似于创可贴,贴在伤口上。此时它的作用就不是输送药,而是进行伤口的愈合。

在初级阶段,纳米机器人只有被动运动功能,没有执行能力,就好比水里漂浮的稻草,虽然能被控制着随波逐流,但是干不了活儿。作用就是把纳米机器人本体上裹上药,让它停在特定送药位置,进行靶向治疗。随着今后的发展,科幻电影中的场景可能成真。比如纳米机器人有了执行能力,人体心脑血管有阻塞的地方,它可能相当于挖掘工或者搬运工,有手有爪,能抓住和杀死细胞,把阻塞部位疏通,所以把纳米机器人理解为靶向药并不全面。

新京报:纳米机器人可以自主执行任务吗?还是需要科研人员在外部进行操作?

刘连庆:目前我们在外面发指令,比如通过光、磁或者超声等给它传递信号,通过结构的设计驱动它产生特定的功能。纳米机器人非常小,它自主执行任务就像无人驾驶汽车一样,自己要携带能源,又要有环境感知能力和决策能力,这可能还有很长的路要走。

新京报:纳米机器人属于医疗机器人吗?

刘连庆:纳米机器人很难划分为哪一类。国际标准化组织将机器人划分为服务机器人和工业机器人,服务机器人又分为家庭服务机器人和专业服务机器人。按照这种划分,微纳机器人应该属于专业服务机器人。

尽管医疗机器人也属于专业服务机器人,但不能把微纳机器人划归为医疗机器人。虽然目前大家研究它主要应用于医疗卫生、癌症治疗。但未来,它也可以不进入人体,而是像纳米灰尘一样,携带传感装置收集信号,可能对国防、环境监测发挥作用。

我国微纳机器人研究处于国际领先水平

新京报:目前,国内外微纳机器人的研究进展如何?

刘连庆:国内微纳机器人研究做得挺好。从发表文章的数量、质量和实验进展来看,在微纳机器人方向上,我国跟国际领先水平是同步的。举例来讲,国际上有几个特别知名的机器人领域期刊,我国在微纳机器人领域发文章的数量上,跟欧美发达国家同步。

从实验进展来看,也基本与国外持平,国内已将微纳机器人应用到小动物身上做实验了,比如老鼠等。“十四五”期间,我国科学家的目标是在大动物身上开展实验,比如家猪、狗等。大动物身上做实验是现在国际同行都在努力的方向,我预计我们国家进展会更快一些。

新京报:什么时候可以在灵长类动物身上做这种实验?

刘连庆:目前,用大动物做实验准入门槛相对比较低,学校和有资格的医院可以联合做。如果想做猴子等灵长类动物的实验,需要进行严格的审批。尽管技术是相通的,但从动物保护、伦理等方面考虑,想做灵长类动物或者人体实验,还需要一个相对较长的过程。

小鼠实验证明,纳米机器人可以被集群控制

新京报:在小白鼠身上做实验,得出了什么结论?

刘连庆:用小白鼠做实验,研究的内容主要是药物的靶向输运。学者主要验证了几个内容。首先,纳米机器人很小,不可能一个机器人去送药,一般情况下是形成一个集群,就像一群蚂蚁一样,现在进展证明了在活体小动物上,纳米机器人可以被集群控制。

同时,纳米机器人集群对实体瘤定向性杀伤作用效果显著。不过必须要指出的是,学界并没有对这些老鼠进行长期的跟踪。如果在人身上使用时,纳米机器人不仅能够杀伤癌细胞,还要对人体尽可能没有副作用。但生物学实验上,目前几乎所有已发表的论文只关注主要指标,就是能不能把肿瘤消除,对老鼠其他生理状态观测比较少。所以,不能轻易下结论,说微纳机器人比现有放疗、化疗好很多。只能说,在“药物传递效率”这一指标上比传统方法要好。

新京报:为什么使用纳米机器人药效比注射方式好?

刘连庆:静脉注射时,很多药被代谢掉了,能够真正到达病处的药量比较少。纳米机器人可以直接把药带到病患处,进行靶向性的治疗。

纳米机器人可以通过注射的方式进入人体,用外界磁场对磁性材料制作的纳米机器人进行操作。磁的穿透作用比较好,磁对人体的伤害也比较小,比如做核磁共振就比较安全。现在的研究,大多数都是以磁性材料为载体制作用于医疗的微纳机器人。

通俗来讲,人们通过超声和CT事先知道肿瘤的位置。以老鼠为例,微纳机器人(铁磁颗粒)注射进入老鼠体内后,用超声可以看到肿瘤的位置和微纳机器人的位置。工程师可以通过磁场控制微纳机器人到达肿瘤的位置。这些微纳机器人表面附着了一些能够杀死肿瘤的药物,药物缓慢释放,直接作用在肿瘤上。

除了附着药物这种化学方式,还可以通过光热效应、磁热效应等,对纳米机器人集群进行加热,由于肿瘤细胞基本上高过四十摄氏度就死掉了,通过对纳米机器人局部加热的物理方式,提高区域温度,也可以实现肿瘤细胞的杀伤。

应与药物研发机构合作,研究微纳机器人评价指标

新京报:微纳机器人研究需要解决的问题是什么?科幻场景还需要多久才能成为现实?

刘连庆:首先是材料的问题,一定要实现完全的生物兼容。生物学家经常会问,注入老鼠体内的东西最后去哪了?会不会对人体造成长期的伤害?目前没有确定性结论。第二个问题就是能源,如果用磁性材料,可以用磁场去控制,如果材料为了生物兼容使用非磁性材料,如何供能使纳米颗粒运动?能量从哪儿来?我觉得,生物兼容性和能源能量供给是最大的问题。

材料多肽可以实现生物兼容性,但其无法用磁场驱动,有人想用光驱动,但红外光的穿透性最多只有几厘米,无法到达深层的组织。

微纳机器人太小了,自身携带能源的能力也很弱,所以能源问题很关键。在体外能吸收光能、太阳能或者风能,它可以随风飘动,监测并传递信息,这是有可能实现的。但像科幻电影里一样,每一个机器人像蚂蚁一样大,又能监测环境,又能自主决策执行任务,这样的机器人距离我们还很远。

新京报:针对小鼠实验的研究指标单一的情况,未来还将开展哪些方面研究?

刘连庆:微纳机器人去哪儿了?是否通过体外循环被排出来了?这是要研究的问题。以防它们潜伏十年,等到被发现的时候很难处理。

另外,微纳机器人研发者应该与新药研发专业机构、食药监部门取得联系,了解药物如何进行临床评价、哪些指标需要进入综合评价。

新京报:目前你的实验室还在进行哪些研究?

刘连庆:除了用磁性材料和多肽做机器人,我们还在研究用细胞做微纳机器人,因为人体细胞本身是从人体内取得的,生物兼容性好。另外,细胞可以从体液中获取能源,我们要研究的是怎么控制它。控制单个细胞比较困难,我们现在用细胞做基本材料,把它们组装起来,称为类生命机器人,这是未来实现微纳机器人的一个新途径。

新京报记者 张璐

编辑 樊一婧 校对 刘军

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