中国这个实验室正在研究隐形机器人负责人专访

2021年世界机器人大会博览会上,大型机器人、强劲机械臂格外引人注目。 然而,在实验室里,科学家和工程师正在开发一种机器人。 虽然它们是隐形的,但它们却拥有强大的能力。 它们将来可能会治疗人类癌症并带来颠覆性的变化。 这是纳米机器人。

纳米机器人研究发展到了什么阶段? 科幻场景什么时候才能实现? 在今年的世界机器人大会上,新京报记者采访了长期从事微纳机器人研究的中科院沉阳自动化研究所机器人国家重点实验室副主任刘连清。

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中国科学院沉阳自动化研究所机器人国家重点实验室副主任刘连庆。受访者提供

纳米机器人材料应具有生物相容性

新京报:纳米机器人有多大?

刘连清:纳米机器人是指尺寸非常小的机器人。 但学术界并没有严格的尺寸定义。 通常指至少在一个维度上极其微小,达到纳米级的机器人。 这里所说的纳米尺度并不要求低于1纳米(10-9米),而是可以在10纳米到100纳米之间。 例如,纳米机器很长但很细,直径不到100纳米。 它也可以被称为纳米机器人。 有学者认为,只要纳米机器人的身体尺寸小于1um(微米),学术界通常用微纳米机器人来指代体积较小、可以注入人体的机器人。

新京报:纳米机器人是由什么材料制成的?

刘连清:目前纳米机器人的研究主要集中在人体之外的基础理论研究。 因此,各种材料可供使用,但尚未形成最终形式。 但总的趋势是逐渐变得可生物降解和完全生物相容。 材料方向发展。 因为对于真正想要进入人体的纳米机器人来说,其材料必须具有生物相容性。

目前,磁性材料多用于纳米机器人的研究,但其生物相容性稍差。 目前正在研究的生物相容性材料有很多,比较有代表性的是可降解水凝胶或肽。 但生物相容性材料存在一个问题。 例如,利用磁性材料,纳米机器人进入人体后,由于自身的磁性,人们可以通过外部磁场对其进行控制。 如果我们改用生物相容性材料,能量从哪里来以及如何控制就成为新的问题。

纳米机器人未来可应用于国防、环境监测领域

新京报:现在科学家正在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物吗?

刘连清:我觉得还不太全面。 研究纳米机器人的目的之一就是将其变成靶向药物的载体,使其能够定向输送药物,但纳米机器人还具有其他功能。 例如,假设一名患者接受了手术,导致身体受到创伤。 纳米机器人可以自行组织形成一个平坦的表面,类似于创可贴,贴在伤口上。 这时它的作用不是送药,而是治愈伤口。

初始阶段,纳米机器人仅具有被动运动功能,没有执行能力。 它们就像漂浮在水中的稻草。 虽然可以控制它们随水流漂移,但它们不能做功。 其功能是将药物包裹在纳米机器人身体上,让它停在特定的药物输送位置,进行针对性治疗。 随着未来的发展,科幻电影中的场景可能会成为现实。 例如,如果纳米机器人具有执行能力,如果人体的心脏或大脑血管出现堵塞,它可能就相当于挖掘机或搬运工。 它有手有爪,可以抓住并杀死细胞并清除堵塞物。 因此,我们对纳米机器人靶向药物的了解并不全面。

新京报:纳米机器人能自主执行任务吗? 还是研究人员需要在外部进行操作?

刘连庆:目前我们向外部发出指令,比如通过光、磁或者超声波向它传输信号,通过结构设计驱动它产生特定的功能。 纳米机器人非常小。 它们可以自主执行任务,就像无人驾驶汽车一样。 他们需要携带自己的能量,还需要具备环境感知和决策能力。 这可能还有很长的路要走。

新京报:纳米机器人是医疗机器人吗?

刘连清:纳米机器人很难归为一类。 国际标准化组织将机器人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。 按照这个分类,微纳机器人应该属于专业服务机器人。

虽然医疗机器人也是专业服务机器人,但微纳机器人不能归类为医疗机器人。 虽然目前主要应用于医疗保健和癌症治疗。 但未来它可能不会进入人体,而是像纳米尘埃一样,携带传感装置收集信号,可能在国防和环境监测方面发挥作用。

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研究进展如何?

刘连庆:国内在微纳机器人方面的研究还是比较好的。 从发表文章的数量、质量和实验进展来看,我国在微纳机器人方向与国际领先水平同步。 例如,世界上有几个机器人领域特别知名的期刊。 我国微纳机器人领域发表文章数量与欧美发达国家同步。

从实验进展来看,与国外基本相同。 国产微纳机器人已应用于小鼠等小动物进行实验。 “十四五”期间,中国科学家的目标是对家猪、狗等大型动物进行实验。 大动物实验现在是国际同行努力的方向,我预计我国会取得更快的进展。

新京报:什么时候可以在灵长类动物身上做这样的实验?

刘连清:目前大动物实验的准入门槛比较低,学校和有条件的医院可以联合开展实验。 如果你想在猴子和其他灵长类动物身上进行实验,你需要经过严格的批准。 虽然技术相似,但从动物保护和伦理方面考虑,在灵长类动物或人类身上进行实验仍然需要一个相对较长的过程。

对老鼠的实验证明纳米机器人可以通过群体控制

新京报:通过小鼠实验得出了哪些结论?

刘连清:用小鼠做实验,主要研究内容是靶向给药。 学者们主要验证了几项内容。 首先,纳米机器人非常小,不可能用一个机器人来运送药物。 一般来说,它们会形成一个群体,就像一群蚂蚁一样。 现在的进展证明,纳米机器人可以通过活体小动物群来控制。

同时,纳米机器人集群对实体瘤的靶向杀伤效果显着。 但必须指出的是,学术界并未对这些小鼠进行长期追踪。 如果用在人类身上,纳米机器人不仅可以杀死癌细胞,而且对人体的副作用也尽可能小。 然而,在生物实验中,目前几乎所有发表的论文都只关注主要指标,即肿瘤能否消除,而对小鼠其他生理状态的观察相对较少。 因此,我们不能轻易断定微纳机器人比现有的放疗和化疗要好得多。 只能说在“给药效率”方面优于传统方法。

新京报:为什么使用纳米机器人比注射更有效?

刘连清:静脉注射过程中,大量药物被代谢,真正能到达病灶的药物量比较少。 纳米机器人可以直接将药物带给患者进行针对性治疗。

纳米机器人可以被注射到人体中,利用外部磁场来操作由磁性材料制成的纳米机器人。 磁铁的穿透效果比较好,磁铁对人体造成的伤害也比较小。 比如核磁共振就比较安全。 目前的研究大多采用磁性材料作为载体来制造用于医疗的微纳米机器人。

一般来说,人们通过超声和​​CT提前知道肿瘤的位置。 以小鼠为例,将微纳机器人(铁磁粒子)注射到小鼠体内后,利用超声波就可以看到肿瘤的位置和微纳机器人的位置。 工程师可以利用磁场来控制微纳米机器人到达肿瘤的位置。 这些微纳米机器人的表面附着了一些能够杀死肿瘤的药物。 药物缓慢释放并直接作用于肿瘤。

除了化学方法附着药物外,还可以通过光热效应、磁热效应等对纳米机器人簇进行加热。由于肿瘤细胞在温度超过40摄氏度时基本上就会死亡,因此通过物理方法对纳米机器人进行局部加热,提高区域温度也可以杀死肿瘤细胞。

应与药物研发机构合作研究微纳机器人的评价指标

新京报:微纳机器人研究还需要解决哪些问题? 科幻场景变成现实还需要多长时间?

刘连清:首先是材料的问题,材料必须是完全生物相容的。 生物学家经常问,注射到小鼠体内的物质最终去了哪里? 会对人体造成长期伤害吗? 目前还没有明确的结论。 第二个问题是能源。 如果使用磁性材料,可以利用磁场来控制它们。 如果使用非磁性材料来实现生物相容性,如何提供能量使纳米粒子移动? 能量从哪里来? 我认为生物相容性和能源供应是最大的问题。

材料肽可以实现生物相容性,但不能通过磁场驱动。 有人想用光来驱动,但红外光的穿透力最多只有几厘米,无法到达深层组织。

微纳机器人体积太小,自身携带能量的能力很弱,因此能量问题至关重要。 它可以吸收体外的光能、太阳能或风能。 它可以随风漂浮,监测和传输信息。 这个有可能。 但就像科幻电影中一样,每个机器人都像蚂蚁那么大,可以监控环境,并且可以独立决策和执行任务。 这样的机器人离我们还很遥远。

新京报:针对小鼠实验研究指标单一,未来还会开展哪些方面的研究?

刘连庆:微纳机器人去哪儿了? 是通过体外循环排出体外吗? 这是一个需要研究的问题。 万一它们蛰伏了十年,一旦被发现,就很难对付了。

此外,微纳机器人研发者应与新药研发专业机构和食品药品监管部门取得联系,了解药物临床评价如何以及需要纳入哪些指标进行综合评价。

新京报:您的实验室目前正在进行哪些研究?

刘连清:除了用磁性材料、肽来制造机器人外,我们还在研究用细胞来制造微纳米机器人,因为人体细胞本身是从人体中获得的,具有良好的生物相容性。 另外,细胞可以从体液中获取能量,我们需要研究的是如何控制它。 控制单个细胞是很困难的。 我们现在使用细胞作为基本材料,并将它们组装起来,创造出栩栩如生的机器人。 这是未来实现微纳机器人的一种新途径。

新京报记者 张璐

范怡静编辑、刘军校对