2021年9月10-13日，2021世界機(jī)器人大會(huì)（WRC）在京召開(kāi)。

在12日全天的未來(lái)峰會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究室主任、機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任劉連慶，主持召開(kāi)了人機(jī)共融未來(lái)時(shí)代的 “新前景”、“新風(fēng)向”兩項(xiàng)論壇，并重點(diǎn)分享了微納機(jī)器人和類(lèi)生命機(jī)器人的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)。

 

劉連慶主任負(fù)責(zé)機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微納機(jī)器人和類(lèi)生命系統(tǒng)課題組，從事微納尺度下機(jī)器人的感知、驅(qū)動(dòng)和控制方法研究，推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用；以及生命系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)的融合方法、類(lèi)生命體的建模和控制技術(shù)，推動(dòng)新一代機(jī)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(jī)器人，比如各種工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人等。而在微觀世界中進(jìn)行探索和操作則需要一類(lèi)“小”機(jī)器人，它們能在微米尺度甚至納米尺度進(jìn)行操作，這就是微納米機(jī)器人。

由于微型機(jī)器人尺寸小，所以它可以進(jìn)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(guò)控制微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可指定它到一個(gè)位置進(jìn)行探測(cè)。

在對(duì)話(huà)中，劉連慶主任講到，現(xiàn)在的微納機(jī)器人面臨的主要問(wèn)題是如何找到合適的材料和驅(qū)動(dòng)能源。大的趨勢(shì)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(xì)菌、心肌細(xì)胞或者骨骼肌細(xì)胞?，F(xiàn)在劉老師團(tuán)隊(duì)正在研究用趨光性藻類(lèi)細(xì)菌做機(jī)器人，也在考慮通過(guò)人體自然腔道的路徑推動(dòng)高效治療。

交談中，劉連慶主任流露出一個(gè)真切的態(tài)度：科技工程要有抓手。類(lèi)生命器件“抓”來(lái)了物種進(jìn)化億萬(wàn)年的生存能力，微納機(jī)器人“抓”來(lái)了依附人體的寄生細(xì)菌。生命課題不僅要虛遠(yuǎn)處遙望，也要向?qū)嵦幪綄?。生命體豐富，人體奧秘自有章法，要在創(chuàng)新中發(fā)現(xiàn)并發(fā)揮其價(jià)值，催動(dòng)現(xiàn)代效能。

 

本次世界機(jī)器人大會(huì)上，雷鋒網(wǎng)（雷鋒網(wǎng)）有機(jī)會(huì)與劉連慶老師親面對(duì)話(huà)，以下為對(duì)話(huà)實(shí)錄。

Q：老師，您是長(zhǎng)期從事微納機(jī)器人學(xué)（微型機(jī)器人和納米機(jī)器人）和類(lèi)生命器件方向的研究，在研究領(lǐng)域，納米機(jī)器人有多大?

劉連慶：納米機(jī)器人的尺寸，學(xué)術(shù)界并沒(méi)有嚴(yán)格定義，通常指機(jī)器人至少在一個(gè)維度達(dá)到了納米尺度。這里說(shuō)的納米尺度并不是要求在1納米(10的負(fù)9次方米)以下，可以在10納米到100納米之間。比如一個(gè)納米機(jī)器很長(zhǎng)，但很細(xì)，直徑不到100納米，也可以稱(chēng)為納米機(jī)器人。也有學(xué)者認(rèn)為納米機(jī)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(jī)器人來(lái)泛指自身尺寸很小、能夠注射進(jìn)入人體的機(jī)器人。

Q：微納機(jī)器人學(xué)和類(lèi)生命機(jī)器人現(xiàn)在成熟度如何，達(dá)到了什么精度？

劉連慶：微納機(jī)器人已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室階段了，類(lèi)生命機(jī)器人程度更低一點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，微納機(jī)器人已經(jīng)在老鼠身上做實(shí)驗(yàn)了，類(lèi)生命機(jī)器人現(xiàn)在還處在實(shí)驗(yàn)室探索階段。

我舉個(gè)例子，現(xiàn)在我們能夠?qū)ξ⒓{機(jī)器人進(jìn)行群體控制，從而進(jìn)行靶向藥物的傳遞。現(xiàn)階段能夠在老鼠身上做實(shí)驗(yàn)，證明了在活體小動(dòng)物上，納米機(jī)器人可以被集群控制。同時(shí)，納米機(jī)器人集群對(duì)實(shí)體瘤定向性殺傷作用效果顯著。

不過(guò)必須要指出的是，學(xué)界并沒(méi)有對(duì)這些老鼠進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤。如果在人身上使用時(shí)，納米機(jī)器人不僅能夠殺傷癌細(xì)胞，還要對(duì)人體盡可能沒(méi)有副作用。但生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)老鼠其他生理狀態(tài)觀測(cè)比較少。所以，不能輕易下結(jié)論說(shuō)微納機(jī)器人比現(xiàn)有放療、化療好很多，只能說(shuō)在“藥物傳遞效率”這一指標(biāo)上比傳統(tǒng)方法要好。

類(lèi)生命機(jī)器人跟動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)比較遠(yuǎn)。我們總是說(shuō)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(jī)器人、仿蝙蝠機(jī)器人，都是比對(duì)著動(dòng)物結(jié)構(gòu)和功能發(fā)展而來(lái)，整個(gè)機(jī)器人的本體都是基于非生命體材料構(gòu)建的。但類(lèi)生命機(jī)器人不是仿生的概念，它是把生物進(jìn)化的功能直接拿出來(lái)，集成在機(jī)器人上來(lái)用。

核心是將生命系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)在分子、細(xì)胞和組織尺度上進(jìn)行深度有機(jī)的物理和信息融合，形成一種新型的基于生命功能機(jī)制的機(jī)器人系統(tǒng)，從而使機(jī)器人能夠兼具生命系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

我舉個(gè)例子，響尾蛇能感受紅外線(xiàn)，它能感受紅外線(xiàn)并不是依靠眼睛，它是有一個(gè)叫TRPA1的離子通道，我們就把離子通道拿出來(lái)，脫離響尾蛇而轉(zhuǎn)染到一個(gè)模式細(xì)胞上，從而用這個(gè)細(xì)胞去感受紅外線(xiàn)。

狗也一樣，它有很好的嗅覺(jué)，我們搞清楚它的嗅覺(jué)的離子通道和基本原理，再把這些分子機(jī)理轉(zhuǎn)染到我們的模式里，相當(dāng)于我們做了一個(gè)人工的類(lèi)生命器件，把狗的嗅覺(jué)能力在人工器件上得到復(fù)現(xiàn)。

我們做出了一個(gè)紅外可見(jiàn)光的感知的器件，能感受紅外線(xiàn)，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(shuō)到人機(jī)共融這方面，第一步先是人機(jī)協(xié)同、第二步組織融合、第三步是細(xì)胞融合，這就是剛才您講到的的類(lèi)生命器件吧？

劉連慶：對(duì)，人機(jī)共融分三塊。一個(gè)是獨(dú)立個(gè)體的互助共融，比如有個(gè)工業(yè)協(xié)作機(jī)器人，機(jī)器和我是完全分開(kāi)的物理體；還有一種是穿在身上的外骨骼機(jī)器人，它是身機(jī)同體的互補(bǔ)共融。比如我力量沒(méi)那么大，但是外部骨骼給我一個(gè)力量，我就能舉起來(lái)重物了。

還有一個(gè)是同生共體，簡(jiǎn)單的例子，比如說(shuō)我想讓這些電子器件跟身體長(zhǎng)在一起，我一進(jìn)屋，只要我就這么一想，燈就亮了。還比如說(shuō)一個(gè)色盲的人，他做了一個(gè)傳感器，上面帶個(gè)相機(jī)，相機(jī)一拍照，他就能把這些顏色信息跟腦子連起來(lái)，直接傳到大腦里，這樣他就能“看”到紫外線(xiàn)了，說(shuō)是看到，其實(shí)是探測(cè)到了。

Q：在昨天高小榕教授談到，他現(xiàn)在對(duì)有創(chuàng)的腦機(jī)接口還是很謹(jǐn)慎的，您剛才談到同生共體，這算是一種侵入式的機(jī)器人研究嗎，現(xiàn)在的研究程度如何？

劉連慶：我剛才說(shuō)的半人半機(jī)器那是更長(zhǎng)遠(yuǎn)的事了，比如什么時(shí)候能做出一個(gè)機(jī)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(cè)試，直接把生物在大自然億萬(wàn)年中進(jìn)化的功能在體外得以復(fù)現(xiàn)，這是一條路。

Q：目前國(guó)內(nèi)外微納機(jī)器人的研究進(jìn)展如何?

劉連慶：從發(fā)表文章的數(shù)量、質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展來(lái)看，在微納機(jī)器人方向上，我國(guó)跟國(guó)際領(lǐng)先水平是同步的。

從實(shí)驗(yàn)進(jìn)展來(lái)看，也基本與國(guó)外持平，國(guó)內(nèi)已將微納機(jī)器人應(yīng)用到小動(dòng)物身上做實(shí)驗(yàn)了，比如老鼠等?，F(xiàn)在大家都在爭(zhēng)著往大動(dòng)物上做，從大動(dòng)物到靈長(zhǎng)類(lèi)再到人。但是能做靈長(zhǎng)類(lèi)實(shí)驗(yàn)需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的審批，全國(guó)有資質(zhì)的單位并不多?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)科學(xué)家的目標(biāo)是在大動(dòng)物身上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，比如家豬、狗等。

Q：那就是說(shuō)微納機(jī)器人主要往醫(yī)學(xué)方向發(fā)展吧？

劉連慶：對(duì)，微納機(jī)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(gè)科學(xué)問(wèn)題”中，人工智能領(lǐng)域有一個(gè)問(wèn)題：“可注射的抗病納米機(jī)器人會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎？”實(shí)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(jī)器人真正落實(shí)到就是說(shuō)到臨床上，您覺(jué)得可能還要多少年？

劉連慶：這個(gè)挺難估計(jì)的，但是我覺(jué)得在大動(dòng)物身上做實(shí)驗(yàn)5年之內(nèi)肯定可以。目前，用大動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)入門(mén)檻相對(duì)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(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行嚴(yán)格審批。盡管技術(shù)是相通的，但從動(dòng)物保護(hù)、倫理等方面考慮，想做靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物或者人體實(shí)驗(yàn)，還需要一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)程

Q：現(xiàn)在科學(xué)家研究納米機(jī)器人用于醫(yī)學(xué)上的癌癥治療，納米機(jī)器人可以理解為靶向藥嗎?

劉連慶：我覺(jué)得還不全面。研究納米機(jī)器人的一個(gè)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(jī)器人還有別的作用。舉個(gè)例子，比如患者做了一個(gè)手術(shù)，在體內(nèi)留下創(chuàng)傷。納米機(jī)器人可以自己組織起來(lái)形成一個(gè)平面，類(lèi)似于創(chuàng)可貼，貼在傷口上。此時(shí)它的作用就不是輸送藥，而是進(jìn)行傷口的愈合。

隨著今后的發(fā)展，科幻電影中的場(chǎng)景可能成真。比如納米機(jī)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(yùn)工，有手有爪，能抓住和殺死細(xì)胞，把阻塞部位疏通，所以把納米機(jī)器人理解為靶向藥并不全面。

雖然目前納米機(jī)器人主要應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、癌癥治療，但未來(lái)，它也可以像納米灰塵一樣，攜帶傳感裝置收集信號(hào)，可能對(duì)國(guó)防、環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)揮作用。

Q：老師您認(rèn)為，在整個(gè)微納機(jī)器人領(lǐng)域，難題是什么？

劉連慶：現(xiàn)在的納米機(jī)器人各式各樣的材料都有，但大的趨勢(shì)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?yàn)橐M(jìn)入人體的納米機(jī)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(diǎn)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(gè)問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，使用磁性材料，納米機(jī)器人進(jìn)到人體之后，人們可以通過(guò)外磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行控制。如果換成生物兼容性材料，能源從哪兒來(lái)、怎么控制它就變成了新的問(wèn)題。

Q：老師您現(xiàn)在的一些課題項(xiàng)目都有哪些突破口？

劉連慶：我們現(xiàn)在在研究基于生物細(xì)胞和細(xì)菌的這種微納機(jī)器人。人身上與很多種寄生的細(xì)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(lèi)細(xì)菌做機(jī)器人，因?yàn)樗汹吂庑?，就可以通過(guò)導(dǎo)進(jìn)光的方式實(shí)現(xiàn)它的控制。當(dāng)然我們還會(huì)用細(xì)胞做機(jī)器人，比如從人身上取他自己的心肌細(xì)胞或者骨骼肌細(xì)胞，因?yàn)檫@個(gè)細(xì)胞和人體本來(lái)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(jī)器人進(jìn)入血液里治療腫瘤比較難，走自然腔道可能會(huì)更快一點(diǎn)，就像一個(gè)超小膠囊。

所以我們剛才說(shuō)到類(lèi)生命機(jī)器人，指的就是要用活性材料來(lái)做機(jī)器人，而不是用無(wú)機(jī)材料，不是用鐵、磁粉。那些都是死材料，我們要用活材料，用細(xì)胞、用細(xì)菌做微納機(jī)器人的本體，我想這可能是生物兼容性的一個(gè)非常好的解決方案，第二對(duì)能源的供給也可能是一個(gè)比較好的解決方案。

Q：在微納機(jī)器人領(lǐng)域，接下來(lái)這幾年，您會(huì)有一個(gè)什么樣的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，或者是想要實(shí)現(xiàn)什么樣的一個(gè)應(yīng)用效率？

劉連慶：第一個(gè)就是大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，這個(gè)是要做的。第二個(gè)我們想和國(guó)內(nèi)外的一些醫(yī)藥企業(yè)合作，比如醫(yī)藥管理局。因?yàn)槲覀儾荒苤豢次⒓{機(jī)器人這一個(gè)綜合指標(biāo)，它進(jìn)入人體把腫瘤殺傷，但它有沒(méi)有副作用？現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)老鼠、豬、狗也不能顯示準(zhǔn)確的生理反應(yīng)，但是從藥物開(kāi)發(fā)的角度仍然有很長(zhǎng)的路要走，所以微納機(jī)器人領(lǐng)域還要建立一個(gè)系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)體系。

現(xiàn)在微納機(jī)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(píng)價(jià)，我覺(jué)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(lái)，建立一個(gè)綜合治療體系?，F(xiàn)在都是跟醫(yī)生合作，還在一個(gè)初始階段。

Q：您是第幾次參加世界機(jī)器人大會(huì)，感覺(jué)怎么樣，大會(huì)對(duì)您的研究領(lǐng)域有沒(méi)有推進(jìn)作用？

劉連慶：每次都來(lái)。我覺(jué)得世界機(jī)器人像機(jī)器人領(lǐng)域的奧林匹克競(jìng)賽，它不是一個(gè)純學(xué)術(shù)會(huì)議。這是一個(gè)擴(kuò)寬知識(shí)面的地方，方便大家了解整個(gè)機(jī)器人領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)、最新產(chǎn)品。

我覺(jué)得世界機(jī)器人大會(huì)的定位挺不錯(cuò)的，因?yàn)閷W(xué)術(shù)上有ICRA、中國(guó)機(jī)器人學(xué)術(shù)年會(huì)那種純學(xué)術(shù)的會(huì)議，還缺少一個(gè)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(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的會(huì)議。這個(gè)大會(huì)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(diǎn)意義挺重要的。

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