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机器人学国家重点实验室副主任刘连庆:为什么要开发基于生物细胞和细菌的微纳机器人?

2021年9月10-13日,2021世界机器人大会(WRC)在京召开。在12日全天的未来峰会上,中国科学院沈阳自动化研究室主任、机器人学国家重点实验室副主任刘连庆,主持召开了人机共融未来时代的 “新前景”、“新风向”两项论坛,并重点分享了微纳机器人和类生命机器人的研究进展与发展趋势。

2021年9月10-13日,2021世界机器人大会(WRC)在京召开。

在12日全天的未来峰会上,中国科学院沈阳自动化研究室主任、机器人学国家重点实验室副主任刘连庆,主持召开了人机共融未来时代的 “新前景”、“新风向”两项论坛,并重点分享了微纳机器人和类生命机器人的研究进展与发展趋势。

机器人学国家重点实验室副主任刘连庆:为什么要开发基于生物细胞和细菌的微纳机器人? 

刘连庆主任负责机器人学国家重点实验室微纳机器人和类生命系统课题组,从事微纳尺度下机器人的感知、驱动和控制方法研究,推动生物医学应用;以及生命系统和机电系统的融合方法、类生命体的建模和控制技术,推动新一代机器人系统创新突破。

在我们所处的宏观世界中有多种机器人,比如各种工业机器人、服务机器人、特种机器人等。而在微观世界中进行探索和操作则需要一类“小”机器人,它们能在微米尺度甚至纳米尺度进行操作,这就是微纳米机器人。

由于微型机器人尺寸小,所以它可以进入比较狭小的空间,比如微流控管道,生物芯片,甚至生物体血管内。通过控制微型机器人的运动,可指定它到一个位置进行探测。

在对话中,刘连庆主任讲到,现在的微纳机器人面临的主要问题是如何找到合适的材料和驱动能源。大的趋势是逐渐向活性、完全生物兼容性、生物可降解的方向发展,比如人体寄生细菌、心肌细胞或者骨骼肌细胞。现在刘老师团队正在研究用趋光性藻类细菌做机器人,也在考虑通过人体自然腔道的路径推动高效治疗。

交谈中,刘连庆主任流露出一个真切的态度:科技工程要有抓手。类生命器件“抓”来了物种进化亿万年的生存能力,微纳机器人“抓”来了依附人体的寄生细菌。生命课题不仅要虚远处遥望,也要向实处探寻。生命体丰富,人体奥秘自有章法,要在创新中发现并发挥其价值,催动现代效能。

 

本次世界机器人大会上,睿景网(睿景网)有机会与刘连庆老师亲面对话,以下为对话实录。

Q:老师,您是长期从事微纳机器人学(微型机器人和纳米机器人)和类生命器件方向的研究,在研究领域,纳米机器人有多大?

刘连庆:纳米机器人的尺寸,学术界并没有严格定义,通常指机器人至少在一个维度达到了纳米尺度。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。

Q:微纳机器人学和类生命机器人现在成熟度如何,达到了什么精度?

刘连庆:微纳机器人已经在实验室阶段了,类生命机器人程度更低一点。具体来说,微纳机器人已经在老鼠身上做实验了,类生命机器人现在还处在实验室探索阶段。

我举个例子,现在我们能够对微纳机器人进行群体控制,从而进行靶向药物的传递。现阶段能够在老鼠身上做实验,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。

类生命机器人跟动物和人体实验比较远。我们总是说仿生,仿生更侧重形态模仿和功能模仿,比如比较流行的四足机器人、仿蝙蝠机器人,都是比对着动物结构和功能发展而来,整个机器人的本体都是基于非生命体材料构建的。但类生命机器人不是仿生的概念,它是把生物进化的功能直接拿出来,集成在机器人上来用。

核心是将生命系统与机电系统在分子、细胞和组织尺度上进行深度有机的物理和信息融合,形成一种新型的基于生命功能机制的机器人系统,从而使机器人能够兼具生命系统的优势和传统机电系统的优点。

我举个例子,响尾蛇能感受红外线,它能感受红外线并不是依靠眼睛,它是有一个叫TRPA1的离子通道,我们就把离子通道拿出来,脱离响尾蛇而转染到一个模式细胞上,从而用这个细胞去感受红外线。

狗也一样,它有很好的嗅觉,我们搞清楚它的嗅觉的离子通道和基本原理,再把这些分子机理转染到我们的模式里,相当于我们做了一个人工的类生命器件,把狗的嗅觉能力在人工器件上得到复现。

我们做出了一个红外可见光的感知的器件,能感受红外线,灵敏度比响尾蛇还差很多,但这是走出的第一步。

Q:您之前说到人机共融这方面,第一步先是人机协同、第二步组织融合、第三步是细胞融合,这就是刚才您讲到的的类生命器件吧?

刘连庆:对,人机共融分三块。一个是独立个体的互助共融,比如有个工业协作机器人,机器和我是完全分开的物理体;还有一种是穿在身上的外骨骼机器人,它是身机同体的互补共融。比如我力量没那么大,但是外部骨骼给我一个力量,我就能举起来重物了。

还有一个是同生共体,简单的例子,比如说我想让这些电子器件跟身体长在一起,我一进屋,只要我就这么一想,灯就亮了。还比如说一个色盲的人,他做了一个传感器,上面带个相机,相机一拍照,他就能把这些颜色信息跟脑子连起来,直接传到大脑里,这样他就能“看”到紫外线了,说是看到,其实是探测到了。

Q:在昨天高小榕教授谈到,他现在对有创的脑机接口还是很谨慎的,您刚才谈到同生共体,这算是一种侵入式的机器人研究吗,现在的研究程度如何?

刘连庆我刚才说的半人半机器那是更长远的事了,比如什么时候能做出一个机器人,让它像响尾蛇一样感受到红外,这太难了。我们可以先在人体外做测试,直接把生物在大自然亿万年中进化的功能在体外得以复现,这是一条路。

Q:目前国内外微纳机器人的研究进展如何?

刘连庆: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。

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。现在大家都在争着往大动物上做,从大动物到灵长类再到人。但是能做灵长类实验需要经过严格的审批,全国有资质的单位并不多。“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。

Q:那就是说微纳机器人主要往医学方向发展吧?

刘连庆:对,微纳机器人现在最重要的就是医学方向。今年上海交通大学携手《科学》杂志发布的“全世界最前沿的125个科学问题”中,人工智能领域有一个问题:“可注射的抗病纳米机器人会成为现实吗?”实际上,医学肿瘤治疗是现在大家最感兴趣的方向。

Q:微纳机器人真正落实到就是说到临床上,您觉得可能还要多少年?

刘连庆:这个挺难估计的,但是我觉得在大动物身上做实验5年之内肯定可以。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

Q:现在科学家研究纳米机器人用于医学上的癌症治疗,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。

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。

虽然目前纳米机器人主要应用于医疗卫生、癌症治疗,但未来,它也可以像纳米灰尘一样,携带传感装置收集信号,可能对国防、环境监测发挥作用。

Q:老师您认为,在整个微纳机器人领域,难题是什么?

刘连庆:现在的纳米机器人各式各样的材料都有,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。

目前使用最多的是磁性材料,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,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,能源从哪儿来、怎么控制它就变成了新的问题。

Q:老师您现在的一些课题项目都有哪些突破口?

刘连庆:我们现在在研究基于生物细胞和细菌的这种微纳机器人。人身上与很多种寄生的细菌,一是它毒性不大,而且是生物兼容的;二它能养活自己,从血液或者体液里等吸取能量。

比如我们用藻类细菌做机器人,因为它有趋光性,就可以通过导进光的方式实现它的控制。当然我们还会用细胞做机器人,比如从人身上取他自己的心肌细胞或者骨骼肌细胞,因为这个细胞和人体本来就是生物兼容的,还能代谢掉或者自己分泌成人体可以吸收的物质。

但是我现在在想,如果微纳机器人进入血液里治疗肿瘤比较难,走自然腔道可能会更快一点,就像一个超小胶囊。

所以我们刚才说到类生命机器人,指的就是要用活性材料来做机器人,而不是用无机材料,不是用铁、磁粉。那些都是死材料,我们要用活材料,用细胞、用细菌做微纳机器人的本体,我想这可能是生物兼容性的一个非常好的解决方案,第二对能源的供给也可能是一个比较好的解决方案。

Q:在微纳机器人领域,接下来这几年,您会有一个什么样的长远目标,或者是想要实现什么样的一个应用效率?

刘连庆:第一个就是大动物实验,这个是要做的。第二个我们想和国内外的一些医药企业合作,比如医药管理局。因为我们不能只看微纳机器人这一个综合指标,它进入人体把肿瘤杀伤,但它有没有副作用?现在的实验老鼠、猪、狗也不能显示准确的生理反应,但是从药物开发的角度仍然有很长的路要走,所以微纳机器人领域还要建立一个系统性的评价体系。

现在微纳机器人的主要指标是药物输送效率,治愈率,但是副作用和周边影响如何评价,我觉得这不仅是临床医生和我们搞工程的人就能做的,而是要和药学,甚至是药物审批管理结合起来,建立一个综合治疗体系。现在都是跟医生合作,还在一个初始阶段。

Q:您是第几次参加世界机器人大会,感觉怎么样,大会对您的研究领域有没有推进作用?

刘连庆:每次都来。我觉得世界机器人像机器人领域的奥林匹克竞赛,它不是一个纯学术会议。这是一个扩宽知识面的地方,方便大家了解整个机器人领域的前沿动态、最新产品。

我觉得世界机器人大会的定位挺不错的,因为学术上有ICRA、中国机器人学术年会那种纯学术的会议,还缺少一个能够面向公众,既有教育目的,又有信息传播能力,还能了解国内外学术及产业发展趋势的会议。这个大会不仅有论坛、大赛,还有企业展览,方便大家交很多朋友,这一点意义挺重要的。

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