7 月 7 日，由中國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、香港中文大學(xué)（深圳）承辦的第二屆 CCF-GAIR 全球人工智能與機(jī)器人峰會(huì)，在深圳如期開幕。在大會(huì)第三天的醫(yī)療機(jī)器人專場(chǎng)，機(jī)器人領(lǐng)域著名學(xué)者香港大學(xué)席寧教授，向與會(huì)嘉賓進(jìn)行了主題報(bào)告——《用于生物醫(yī)學(xué)和制藥的納米機(jī)器人》。

席老師是香港大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化講席教授、IEEE RAS候任主席，主要研究方向包括機(jī)器人、制造自動(dòng)化、微/納米制造、納米傳感器和設(shè)備，以及智能控制與系統(tǒng)等。

納米機(jī)器人的角色

眾所周知，醫(yī)療有診斷和治療這兩大方面：診斷是對(duì)人體的各種異?，F(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量；治療，在工程機(jī)器人的角度是操作。納米機(jī)器人既可用于診斷也可用于治療，即 sensing 和 manipulation，傳感測(cè)量和操作。

隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展，診斷和治療需要新的手段，在更小的尺度上進(jìn)行 sensing 和 manipulation。這就是現(xiàn)在的全新診斷、治療方式：在微米、納米尺度上診斷病情，用納米機(jī)器人在細(xì)胞、分子（比如 DNA 分子）層次做手術(shù)。

制藥方面，傳統(tǒng)上，新藥開發(fā)以靶點(diǎn)為基礎(chǔ)。這里面存在很多問題，所以現(xiàn)在新藥開發(fā)的規(guī)范是 signaling pathway based，全面考察疾病和各種因素之間的關(guān)系，對(duì)副作用考慮更周全。這個(gè)層次進(jìn)行新藥開發(fā)，需要新的手段和技術(shù)。在分子和細(xì)胞的層次上進(jìn)行 sensing 和 manipulation 就成了一大技術(shù)支持。

挑戰(zhàn)：新藥開發(fā)成本持續(xù)上升

現(xiàn)在，研發(fā)一個(gè)新藥物需要 10 到 15 億美元，10 年才能開發(fā)出來。新藥開發(fā)的投資每年不斷增長(zhǎng)，但是藥的數(shù)量基本上持平，說明新藥出現(xiàn)的很少，成本不斷提高。這導(dǎo)致投入產(chǎn)出差距越來越大。更嚴(yán)重的是，醫(yī)學(xué)界發(fā)現(xiàn)的新疾病在不斷增長(zhǎng)，但藥的數(shù)量并沒有。這一難題日益凸顯，業(yè)內(nèi)將其稱為 Pharma innovation gap（制藥領(lǐng)域的創(chuàng)新缺口），亟需新技術(shù)、新途徑改變現(xiàn)狀。

為解決該挑戰(zhàn)，機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)被各界寄予厚望。

自動(dòng)化

制藥工業(yè)的自動(dòng)化程度很低，這和汽車制造業(yè)形成鮮明對(duì)比。怎么才把自動(dòng)化和機(jī)器人用于新藥開發(fā)？

可以用微型流水線，像工業(yè)生產(chǎn)一樣：細(xì)胞進(jìn)來，像傳送帶那樣送過去，機(jī)器人把不同的藥物放到細(xì)胞上，同時(shí)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)量——測(cè)量不同的靶點(diǎn)、不同藥的作用。整個(gè)過程高度自動(dòng)化。但和汽車制造不一樣的是：汽車的零件尺寸是固定的，細(xì)胞不是。這要求機(jī)器人更智能化，對(duì)機(jī)器人的技術(shù)應(yīng)用提出新的挑戰(zhàn)。

超限機(jī)器人

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人從簡(jiǎn)單的代替人的能力，變成了擴(kuò)展人的能力。正如剛才 Brad Nelson 教授講的，機(jī)器人能突破人原本的物理尺度、距離、環(huán)境限制，進(jìn)行操作和測(cè)量，這就是超限機(jī)器人。

現(xiàn)在所謂的納米操作機(jī)器人，就可以在納米尺度上，對(duì)納米尺度的固體進(jìn)行操作和測(cè)量。

但僅僅有納米機(jī)器人還不夠：要把納米尺度的環(huán)境顯示出來，這樣人才能看見、才能進(jìn)行操作。我們發(fā)現(xiàn)一種技術(shù)能納米尺度下進(jìn)行成像，產(chǎn)生像電影一樣的實(shí)時(shí)圖像。對(duì)此，我們利用了壓縮感知的原理。因?yàn)槌叨忍?，又要高速的?duì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，光學(xué)是看不見的，要用原子力顯微鏡、電子顯微鏡。

應(yīng)用 1：揭開皮膚病（牛皮癬）的病因

人體上皮細(xì)胞與細(xì)胞之間有一種蛋白質(zhì)，那個(gè)蛋白質(zhì)叫 Desmosome。若它被破壞，皮膚表面就會(huì)形成很多水泡，很癢，會(huì)爛，還會(huì)產(chǎn)生其他免疫疾病。但醫(yī)學(xué)界不知道是什么機(jī)制把 Desmosome 破壞了，導(dǎo)致皮膚病。有的猜想是抗體，也有的猜是人體信號(hào)傳導(dǎo)。由于環(huán)境太小，很難做驗(yàn)證。

但用納米機(jī)器人，這個(gè)疑團(tuán)很容易就解開了：用納米機(jī)器人切開 Desmosome 以后，并沒有導(dǎo)致水泡產(chǎn)生，證明這不是機(jī)械作用產(chǎn)生的疾病，而是信號(hào)傳導(dǎo)的過程出了問題。

（這里僅對(duì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)做概述，以下同。席寧老師報(bào)告的完整版，請(qǐng)關(guān)注雷鋒網(wǎng)的后續(xù)整理的講座全文+ppt 報(bào)道）

應(yīng)用 2：研究干細(xì)胞的分解

干細(xì)胞的重要性無須贅言。預(yù)測(cè)它什么時(shí)候分解、在什么條件下分解，對(duì)分解的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，是非常難的事。但納米機(jī)器人可以測(cè)量其機(jī)械狀態(tài)。

有一個(gè)很成功的應(yīng)用，是治療淋巴癌的一種靶點(diǎn)治療藥物名為藥美羅華。這種治療本身很好，沒有副作用，但存在一個(gè)嚴(yán)重的問題：有的病人使用有效，有的無效，醫(yī)生不知道是什么原因。無效的情況會(huì)耽誤病人的寶貴治療時(shí)間。

后來用納米機(jī)器把靶點(diǎn)癌細(xì)胞抓出來進(jìn)行研究，測(cè)量癌細(xì)胞結(jié)合力。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)結(jié)合力達(dá)到一定時(shí)候，才會(huì)有作用。從此以后，醫(yī)生能夠在治療前通過分析癌細(xì)胞對(duì)療效做預(yù)測(cè)，其臨床意義非常重大。

應(yīng)用 3：研究細(xì)胞黏合力

對(duì)于假肢，現(xiàn)在有一種成功的方法：把一個(gè)鋼管插到骨頭里，這樣等于長(zhǎng)在身體里一樣，假肢效果跟真人一樣，但是跑得比真人快。

但是，這里面有一個(gè)很大的問題：鐵管（鋼管）插到腿里面，皮要長(zhǎng)在鋼管外面會(huì)產(chǎn)生縫隙，那個(gè)縫隙會(huì)有細(xì)菌進(jìn)去，引發(fā)局部感染，時(shí)間長(zhǎng)了以后會(huì)引起骨頭感染，最后還要把這個(gè)東西取掉。即便這樣，有人做三四次手術(shù)還要做，因?yàn)檫@種假肢效果非常好，安上看不出來，對(duì)生活和各種活動(dòng)影響很小。

于是研究人員就研究細(xì)胞和假肢之間的黏合力，希望找出一系列讓它們黏合得很好的方法，防止感染，其臨床意義非常重大。

這個(gè)課題很難，現(xiàn)在的突破口使用納米機(jī)器人測(cè)量粒子通道電流的信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞黏合力的測(cè)量。

總結(jié)

  人類和疾病之間的斗爭(zhēng)，現(xiàn)在已經(jīng)到了分子和細(xì)胞的尺度。開發(fā)藥物和新的診斷治療方法，必須得有手段在分子和細(xì)胞的尺度上進(jìn)行測(cè)量和操作，把傳統(tǒng)的手術(shù)從器官的水平縮小到分子和細(xì)胞的水平。雷鋒網(wǎng)

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