人类与疾病斗争,已经需要纳米机器人了|CCF-GAIR2017-亚博网页版登陆入口

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亚博网页版登陆:按:7月7日,中国计算机学会(CCF)主办,(公众号:)与香港中文大学(深圳)主办的第二届CCF-GAIR全球人工智能与机器人峰会在深圳如期揭幕。在大会第三天的医疗人工智能专场,香港大学讲席教授、尖端技术研究所所长、IEEE RAS候任主席席宁做到了大会报告。席宁教授指出,人类对于生命的解读早已抵达分子和细胞的尺度,药物研发和化疗手段的创意,必须在分子和细胞尺度上展开测量和操作者的方法——微纳机器人。

他进而例举了微纳机器人用作新药研发与临床化疗的多个例子。他指出,微纳机器人拓展了人的能力,让人们对大自然的探寻了解到了纳米尺度,将为人类的方方面面带给颠覆性的影响。

以下内容由整理自席宁教授的报告,有删改:今天我想要讲解下微纳机器人在医药和新药研发的应用于。我们告诉医疗主要是临床和化疗两个方面。在工程的角度,临床是对人体的各种异常现象展开测量。化疗,在工程的角度是转变人体细胞现有的状态。

而机器人的两个最重要功能:传感(Sensing)和操作者(Manipulation)正好能在临床和化疗中充分发挥最重要起到。我们首先总结人类和疾病做到斗争的历史,开始的时候,临床是看病人的气色好不好,中医看舌苔、看气色、脸色好不好。以后有了X光技术,可以看见身体里面,看见肺等器官,从器官的形态来临床病人的身体状态。

现在医学发展到了细胞、分子阶段,医疗临床也一样。我们必须把临床技术降至微米、纳米的尺度,在细胞分子的尺度展开Sensing,获取新的临床方式。化疗也是一样,开始是器官的角度,针对器官展开操作者,以西医为事例,器官的修复和手术都在这个尺度。

随着分子生物学的发展,手术开始在细胞层次、DNA分子层面上积极开展,而DNA分子是掌控细胞生长发育的核心密码,而细胞是构成器官的组织的基本单元,将从更加显然的原因上解决问题人类的疾病问题。同时,随着尺度的减少就必须更加小的尺度上的Sensing和Manipulation方法。新药研发为什么必须这个?最传统的中药,是人类通过几百上千年的累积,通过大大的试验总结出来的,是时间累积的结果。

传统的新药研发则是以靶点为基础的新药研发,即基于信号通路转导(Signaling pathway )的新药研发这样全面看见疾病和各种因素之间的关系,对副作用考虑到较为全面,这个层次展开新药研发必须新的手段和新的技术,即分子和细胞的层次上的Sensing和Manipulation,这同时为机器人的发展获取了新的应用领域。药物研发是人类和疾病做到斗争里很最重要的一部分。

现在人类面对相当大的挑战,是新药研发的成本更加低,研发一个药物必须10-15亿美元,花费近10年时间。现在新药研发的投资每年大大快速增长,但药的数量基本上是持平的,解释新药经常出现的很少,成本大大提升投放与生产量的差距更加大。与此同时,目前新的疾病更加多,几十年前很多病没听闻过,但现在经常出现很多新病,药的数量没减少,成本更加低。

这是人类和疾病做到斗争相当大的问题。解决问题这个问题必须修筑新的新药研发的途径,必需利用新技术才能改变现状。若然机器人机器人和自动化技术能无法协助我们解决问题这个问题?人工智能、机器人是很热的领域,在生产行业和生活里起着相当大的起到,而且在新药和医疗临床和化疗方面,某种程度也不会起着相当大的起到。机器人最开始是替换人(机器换人),用来做人可以做到但是不不愿做到的事情,比如低重复性的劳动,但随着机器人技术的发展,机器人早已从非常简单的替换人变为了拓展人,某种程度是替换人做人不不愿做到的事,同时做人做不了的事。

比如,机器人和现代信息技术、网络技术融合一起,机器人能在较远的地方展开操作者,可以协助人解决距离带给的艰难。机器人在较小的尺度里展开操作者和测量,意思是它可以解决尺度给人类带给的艰难,在人看不到、摸不着的环境中展开操作者和测量。这样的话,它在医疗临床和新药研发里面就有很多应用于。

同时机器人还可以转入人很难转入的环境,比如生理环境,转入人的身体,协助人解决环境给人带给的艰难。尺度太小、太远、环境过于类似,人就做不了,但有了机器人的协助,我们就可以解决这些艰难。机器人协助我们打破了人的能力无限大,多达了尺度、距离、环境给人带给的容许。

这就是若然机器人,让机器人拓展人的限度,做人做不了的事情。这种技术在新药研发和医疗临床里面有相当大的应用于。传统概念中,机器人在制造业,比如汽车制造业,起着相当大的起到。

我们现在想要怎么样把自动化机器人在汽车生产、生产生产里面的技术,重制到新药研发、重制到医疗临床和化疗,解决我刚才说道的新药研发、医疗临床中人类面对的挑战。潜在的经济价值是十分大的。根据统计资料,汽车工业的产值是7280亿美元,里面有5080亿是由自动化和机器人的用于所带给的价值。

也就是说,没机器人和自动化,就会有汽车产业的今天,也就会有人类今天所享有的物质文明。而全球制药工业比汽车工业还要大,而且现在新药研发过程中自动化程度非常低,汽车生产中机器人早已大规模用于,但新药研发多还在实验室里依赖手工操作已完成,自动化程度非常低。按照经济学相近的统计资料原理,如果我们把机器人和自动化用作新药研发,潜在的经济价值很大并远超强汽车工业。纳米机器人用作新药研发我们怎么把自动化和机器人的概念用作新药研发呢?我们想象,像今天的流水线一样,传送带大大把细胞送来入机器人的工作空间中来,,机器人把有所不同的药物放在细胞上,同时对细胞展开测量,测量有所不同的靶点、测量有所不同药的起到。

整个过程的自动化,要超过这个目的有几个关键技术:一是自动化输送;二是自动化给药和自动化测量给药。这在汽车工业和生产行业都基本构建了。但仅次于的有所不同是,汽车的组装生产,所有的零件尺寸都差不多,是结构化的环境,所有东西都是人生产的。

但是新药研发中,每个细胞宽的不一样,它所谓结构化的(unstructured),所以从感官掌控和规划方面,对机器人技术明确提出了新的挑战。为了迎接挑战,我们做到了几方面做到的工作。首先机器人要有操作者的手段,我们发展了纳米操作者机器人,可以在纳米尺度上对物体展开操作者和测量,这是十分最重要的。

机器人要做到操作者,最重要的是把看不到摸不着的东西,显得既能看见又能摸着,这样才能把药放到特定的方位,才能测量药的效果。比如,上图中右边表明的是一个纳米操作者机器人,人用操纵杆展开操作者。机器人可以在里面运动,右图下面是一个细胞,我们可以做到一些手术,把某些部分手术或者敲些药物在上面。

要做这点,要把纳米尺度的环境表明出来,这样人才能看到、才能展开操作者。我们找到一种技术,能高速的在纳米尺度下展开光学,产生像视频一样的动态图像,这样需要协助操作者。

我们用了传输感官的原理,因为尺度十分小,要高速的对环境展开测量,因为光学是看不到的,尺度太小,要用原子力显微镜、电子显微镜测量。右图是一个动态的图像,是DNA分子在液体里摇晃。我们可以动态测量DNA分子的运动,这是较小的尺度,因为DNA分子的直径只有1-2纳米。

这是展开操纵和测量的基本的东西。有了这之后,我们就可以展开操作者。

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上图左边是一个DNA分子,红色的是纳米机器人。我们让纳米机器人沿着DNA分子展开运动,维持在DNA分子上,这样就拒绝方位掌控的精度在1-2纳米。它的起到是,我们告诉DNA最重要的是测序,测序后需要对未来的疾病展开预测。测序是对ATCG四种有所不同的分子展开测量,如果一个纳米机器人沿着回头,就能迅速告诉分子构成,这是较慢对DNA展开测序的方法。

光学很最重要,但同时要展开操作者。操作者的时候要在微纳米尺度上要展开手术,手术拒绝机器人的终端执行器具备一定的刚性,而光学感官则拒绝终端执行器十分的坚硬因此在操作者和光学之间不存在对立。

比如一个纳米级的探针,如果较小、很软,你要引一个东西时,就不会变弯推不动,这给纳米尺度上展开操作者带给了相当大的艰难。但无法做到得刚性相当大,如果刚刚童年大,碰到一个很软的东西,不会不告诉它的韧,造成传感和测量的精度减少。我们解决问题这个对立的办法是,在探针上加了一个驱动器,通过掌控驱动器能转变探针的机械特性,使得探针的刚性固定式,测量的时候显得很软,很更容易测量环境的韧。

同时操作者的时候让它显得很软。比如上图中的纳米线,大约仅有100纳米,是头发直径的千分之一。白的是探针,我们再加去掌控信号后,探针本身就变软了,就可以推展。探针通过转变机械特性,就可以超过我们的目的。

这是微纳米操作者里是很最重要的例子。纳米机器人用作临床化疗机器人涉及的技术,医疗临床化疗里面有什么应用于?比如化疗皮肤病中的牛皮癣。

牛皮癣是一种免疫系统疾病。人皮肤中上皮细胞与细胞之间有一种蛋白质Desmosome。由于一些免疫系统疾病,人体会产生一种抗体(一种蛋白质),它不会反击并毁坏Desmosome,在人体表面构成很多水泡,而且不会番茄。

当时整个过程的机制并不确切,有人猜测是抗体的原因,还有人猜测有可能是信号传导的过程造成的。因为环境限度的原因,研究一起十分艰难。

我们的办法是,用纳米机器人机械的把Desmosome缝合。或是用纳米机器人把抗体必要放在Desmosome上,看会会毁坏。通过机械切割成和抗体起到的对比,就可以试验出来两者之间的详进而为确认这种疾病的产生原因获取协助。最后通过我们的研究证明,这种皮肤病不是机械起到所产生的,而是信号传导所引发的,因此工具和技术的提高让原本很难研究的问题显得更容易。

我们还可以用这个方法研究干细胞的分解成。干细胞很最重要,但预测它什么时候分解成,在什么条件下分解成,对分解成的状态展开测量,是十分无以的事。由于有纳米机器人,可以对一些干细胞的机械特性展开动态测量,预测出来分解成的状态。

另一个应用于纳米机器人在化疗领域较为顺利的例子,是淋巴瘤。淋巴瘤化疗有一种特效药——美罗华,这是一种靶向药物并在临床上获得了很大顺利应用于。但是却不存在耐药性差异问题,即这种药物对有的人有效地,有的人没效。

该药物价格昂贵,化疗成本高,如果无法预先理解化疗效果,不但浪费金钱同时耽搁了宝贵的化疗时机。所以必须一种方法,在化疗之前预测化疗效果怎么样。

我们用纳米机器人放入病人身上的癌细胞,找到只有当癌细胞靶点与药物结合力超过一定程度时,才不会有起到。通过这个研究,可以预测使用靶点化疗以后的效果不会是什么样,这在临床上的意义是十分大的。还有一个例子是研究细胞黏合力。

细胞黏合力的大小直接影响伤口的伤口。它还有一个很最重要的起到是用作假肢领域。现在有一种顺利的方法,是把钢管挂到骨头里,让假肢的效果跟真人一样。

但里面有一个相当大的问题,即钢管夹住腿里,皮肉要长在钢管外面,但往往不会产生缝隙,不会让细菌引发病毒感染,时间宽了以后不会引发骨头病毒感染,造成最后还是要取掉假肢。人们希望对细胞的黏合力积极开展研究,尤其是细胞和假肢之间的黏合力,理解其中的机制后,就可以通过一系列的办法让它接合的很好,避免病毒感染。这很难。

比如细胞的黏合力怎么测量?通过纳米机器人研发了一个办法,可以动态测量,从而研究有所不同的药物对黏合力的影响。还有一个应用于是对离子通道离子电流的测量。动态测量离子通道的电流,对于理解细胞的生理功能和化疗很多疾病有很最重要的意义。

但是测量很难,以前传统的方法叫膜片钳,它是一种技术活,要苦练很多年才能测。现在用纳米机器人技术能很精确的定位,很精确的展开测量,将原本很简单的过程显得很非常简单了,能高速的展开测量。人的耳朵里有内耳细胞,内耳细胞表面有很多纤毛,就像天线一样。

当空气中的振动传导耳蜗后,不会引发纤毛的弯曲形变,进而关上特定的离子通道,产生信号并让人听见声音。由于离子通道的问题,不会让很多人失明。

所以要研究一种药物转变这种现象,但研究药物的过程中要有办法动态测量,看药物能无法让离子通道长时间。但这种测量很难,因为要在细胞上离子通道展开测量,同时还要产生机械性刺激一动,使得纤毛产生弯曲形变,这必须在较小的尺度上展开准确操作者,十分艰难。利用纳米机器人,我们不但可以对这些纤毛展开AMD超强准确的机械性刺激,同时还能对离子通道展开测量,这样就通过中举有所不同的药物,理解其化疗效果。

总结来说,人类对生命的理解早已到了分子和细胞尺度。因此无论是药物研发还是化疗手段的创意,都必须在分子和细胞尺度上的测量和操作者的工具,进而把传统的手术从器官的水平增大到分子和细胞的水平,这样协助我们展开医疗临床,协助我们展开新药研发,从而产生很多新的临床和化疗的方法,来应付人类面临的疾病。

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