最近，在香港大學(xué)機(jī)械工程系科研助理教授林海松擔(dān)任第一作者的Nature論文中，他和合作者利用名為Ferrobot的微型鐵磁機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的快速群組病毒檢測，可使檢測試劑成本下降10至300倍。
圖|林海松（來源：林海松）
圖|只有手掌大小的Ferrobot檢測平臺(tái)（來源：Nature）
（來源：Nature）
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圖|相關(guān)論文（來源：Nature）
圖|林海松（來源：林海松）
在這一技術(shù)中，10個(gè)Ferrobot微型機(jī)器人高效協(xié)作，它們攜帶著輸入的鼻咽拭子樣品，在手掌大小的平臺(tái)上進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)輸、分離、分類、混合等操作，通過集成核酸擴(kuò)增檢測試劑，來對(duì)新冠病毒的遺傳物質(zhì)進(jìn)行群組篩查，從而對(duì)病毒感染情況進(jìn)行診斷。
圖|只有手掌大小的Ferrobot檢測平臺(tái)（來源：Nature）
其與實(shí)驗(yàn)室檢測的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)測試法（即大家熟悉的核酸檢測），所得到的結(jié)果一致。同時(shí)，F(xiàn)errobot平臺(tái)的制造成本既廉價(jià)、又簡單，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和部署。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，遠(yuǎn)超諸多同類型的流體操縱技術(shù)，并在800多萬次自動(dòng)化測試中得到了證明。
同時(shí)，它的另一突破在于：利用基于患病率的適應(yīng)性檢測算法——平方矩陣方案，進(jìn)行群組篩查。在同時(shí)測試16個(gè)樣品的前提下，相比單獨(dú)測試的方法，該技術(shù)的微量化測試與群組篩查設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，能讓化學(xué)試劑的消耗量降低300倍。
如果群組測試結(jié)果為陽性，后續(xù)的篩查測試將繼續(xù)由該平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行，直到識(shí)別出具體的陽性樣本。測試全程只需30到60分鐘，具體時(shí)長取決于是否有陽性樣本。
圖|基于患病率的適應(yīng)性平方矩陣檢測算法及硬件執(zhí)行方案，可對(duì)16個(gè)樣本進(jìn)行全自動(dòng)群組篩查（來源：Nature）
此外，只有手掌大小的便攜式平臺(tái)利用可編程的自動(dòng)化操縱，可以避免繁瑣的人工操作，從而縮短測試周期。在自動(dòng)化分析中，無需過多的專業(yè)測試人員，就能在大規(guī)模測試點(diǎn)和社區(qū)實(shí)現(xiàn)自主檢測。
舉例來說，幾十個(gè)檢測組件就有望實(shí)現(xiàn)對(duì)一所大學(xué)進(jìn)行快速病毒檢測。同時(shí)，這款手持式一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓病毒檢測脫離實(shí)驗(yàn)室的局限性，從而實(shí)現(xiàn)檢測的社區(qū)化普及，進(jìn)而最大限度地利用資源，降低物資和人力的使用量，借此減少測試成本，同時(shí)還能有效遏制疫情蔓延。
也就是說，F(xiàn)errobot平臺(tái)能對(duì)新冠病毒進(jìn)行快速、廉價(jià)的自動(dòng)化檢測，而且無需繁瑣的樣品處理和復(fù)雜的人員培訓(xùn)。在芯片中，樣本會(huì)被進(jìn)行自動(dòng)化處理分析，從而減少對(duì)于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模集中檢測的依賴，可以輕易地在辦公樓、學(xué)校、機(jī)場甚至公共交通上部署病毒測試。
而這種無需實(shí)驗(yàn)室分析的方法，在便攜快速的同時(shí)還能保障檢測的精準(zhǔn)度。此外，基于微流控的測試對(duì)試劑的消耗較少，可以極大地降低測試所需成本。
（來源：Nature）
事實(shí)上，在每一種新型病毒爆發(fā)的初期，對(duì)病毒的追蹤速度直接關(guān)系到疫情的傳播速度，測試方法的較長研發(fā)周期，也會(huì)直接導(dǎo)致疫情的快速蔓延。
而Ferrobot平臺(tái)能對(duì)新病毒的特定核酸信息進(jìn)行“身份識(shí)別”，從而實(shí)現(xiàn)快速部署，借此建立準(zhǔn)確的病毒檢測方法，進(jìn)而及時(shí)控制傳播鏈。
此外，對(duì)于人體生物液中的多種生物標(biāo)記，其也具備實(shí)時(shí)分析的潛力。除能對(duì)病毒性疾病進(jìn)行檢測追蹤，還可以集成多種類型的生物試劑和傳感器，幫助人們更好地進(jìn)行健康管理，以及協(xié)助醫(yī)生檢查患者的健康狀態(tài)。
另據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)也打算探索該系統(tǒng)在化學(xué)、材料領(lǐng)域的應(yīng)用。由于Ferrobot微流控芯片系統(tǒng)具備高度集成的特質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)多種快速液體操縱，因此課題組希望借此解放實(shí)驗(yàn)室中人員的雙手，通過編程合適的反應(yīng)流程，利用微流控系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、安全的控制，并結(jié)合算法來快速探索未知的反應(yīng)。
當(dāng)然，該平臺(tái)的應(yīng)用場景，絕不限于新冠病毒這一種病毒。過去幾十年間，包括新冠病毒在內(nèi)的多種流行病毒，頻繁且規(guī)律性的出現(xiàn)威脅著人類的健康。
在控制病毒大面積爆發(fā)的過程中，及時(shí)的病毒檢測至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的檢測模式高度依賴實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，需要將待測樣本從各個(gè)檢測點(diǎn)收集、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)輸?shù)教囟▽?shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，這會(huì)消耗大量的人力財(cái)力，并且耗時(shí)也比較長。因此，我們亟需一款便攜、廉價(jià)的檢測設(shè)備。
據(jù)介紹，F(xiàn)errobot檢測平臺(tái)的研發(fā)，貫穿林海松的整個(gè)博士生涯。在此次論文發(fā)表之前，他和當(dāng)時(shí)所在的團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)積累了相對(duì)充足的經(jīng)驗(yàn)，并將階段性的技術(shù)整理為論文，以封面形式發(fā)表于Science Robotics。
此后，研究人員一直在尋找和發(fā)掘更多的應(yīng)用場景，以將該技術(shù)最大化地用于日常生活。2020年，關(guān)于此次Nature論文的課題正式立項(xiàng)。
但在當(dāng)時(shí)，他們還迷茫于無法明確此類技術(shù)的最優(yōu)應(yīng)用價(jià)值。隨后新冠疫情爆發(fā)，各領(lǐng)域?qū)＜壹娂娂尤肟挂哧?duì)伍。作為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員，該團(tuán)隊(duì)當(dāng)然也不例外。
而對(duì)于已經(jīng)初步研發(fā)完畢的Ferrobot平臺(tái)，課題組深諳其在生化檢測上的優(yōu)勢(shì)，并立即意識(shí)到它將給病毒檢測帶來實(shí)際幫助。伴隨著疫情全球化的緊迫之感，他們開啟了為期兩年的研究。
期間，一個(gè)具有革新意義的創(chuàng)意，讓該研究迎來了真正的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。正如前面說到，研究團(tuán)隊(duì)的最初目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)病毒個(gè)體樣本的檢測自動(dòng)化。不過，這一目標(biāo)在2021年初已被攻克。所以，他們并不滿足于當(dāng)時(shí)的自動(dòng)化檢測效率，總覺得Ferrobot的自動(dòng)化程度并沒有完全發(fā)揮出來。
這時(shí)他們注意到，中國已經(jīng)開始使用核酸混檢方式。在人工混檢的背后，人力、物力的消耗不容小覷。一旦發(fā)現(xiàn)陽性，就要追溯同一混檢試管中的所有被檢人員，進(jìn)行一一重新排查。
這讓研究人員意識(shí)到，病毒檢測需要根據(jù)當(dāng)?shù)夭《緜鞑コ潭?，來設(shè)計(jì)最優(yōu)的混檢篩查方法，而且最好是高自動(dòng)化的。而高適應(yīng)性的Ferrobot平臺(tái)，是最有希望對(duì)該瓶頸進(jìn)行突破的手段之一。
接下來的一年多里，核心成員們進(jìn)行著循環(huán)討論、實(shí)驗(yàn)和分析，這種一周7天、早7晚11的工作模式，大大加速了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，讓微流控芯片的設(shè)計(jì)及優(yōu)化、電路程序優(yōu)化、生物化學(xué)試劑兼容性等核心問題得以解決。
（來源：Nature）
而作為一款病毒檢測平臺(tái)，自然要對(duì)真實(shí)樣本進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)。課題組與加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA，University of California,Los Angeles）醫(yī)學(xué)院、以及其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行協(xié)調(diào)和求助，借此獲得大量的真實(shí)病毒樣本，最終對(duì)Ferrobot平臺(tái)進(jìn)行了臨床驗(yàn)證。
結(jié)果顯示，對(duì)比日常的核酸檢測結(jié)果，其靈敏度和準(zhǔn)確性基本沒有差別。但是，F(xiàn)errobot平臺(tái)自動(dòng)化微流體平臺(tái)的特點(diǎn)，能讓人力和物力的成本下降2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
研究期間，在第一次對(duì)病毒個(gè)體樣本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測時(shí)，擔(dān)任此次論文共同一作的余文卓，小心翼翼地從通風(fēng)櫥里把芯片拿出來，當(dāng)大家看到檢測結(jié)果和預(yù)期結(jié)果一致時(shí)，那是科研人員最美好的瞬間。
后來，當(dāng)看到準(zhǔn)確率非常接近現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方法時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)更加興奮，因?yàn)檫@意味著Ferrobot平臺(tái)兼具全自動(dòng)化和準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)。
科研有時(shí)就像“升級(jí)打怪”，總有更難的溝壑要越過。在個(gè)體檢測成功之后，課題組陷入了持續(xù)幾周的迷茫期——苦惱于如何對(duì)病毒檢測效率進(jìn)行突破性提升。
為此，課題組向多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)“取經(jīng)”，以了解關(guān)于病毒檢測的更多需求。在一次晚飯閑聊時(shí)，有人偶然提到了前文的混檢模式。
于是，林海松和余文卓開啟了一場激烈討論：如何利用Ferrobot平臺(tái)來優(yōu)化群組檢測效率。最終他們意識(shí)到：人工混檢中的很多問題，都有望通過該平臺(tái)達(dá)到更高的效率。
為此，他們決定采用基于患病率的適應(yīng)性群組篩查算法：平方矩陣方案。林海松說：“記得那晚每個(gè)人都非常激動(dòng)，對(duì)于項(xiàng)目的最終目標(biāo)‘摩拳擦掌’。哪怕現(xiàn)在想到當(dāng)時(shí)的情境，都會(huì)熱血沸騰。”
而在實(shí)現(xiàn)對(duì)于群組篩查實(shí)驗(yàn)的全自動(dòng)化之后，當(dāng)?shù)谝淮卧趯?shí)驗(yàn)室看到測試結(jié)果真實(shí)地呈現(xiàn)在大家眼前時(shí)。“那一刻我們一片歡騰，也為所有組員全身心投入的這段艱辛攻堅(jiān)時(shí)期，畫上了圓滿的句號(hào)。”林海松表示。
最終，相關(guān)論文以《鐵機(jī)器人群使可訪問且適應(yīng)性強(qiáng)的自動(dòng)化病毒測試成為可能》（Ferrobotic swarms enable accessible and adaptable automated viral testing）為題發(fā)表在Nature上[1]。
林海松為第一作者和共同一作，UCLA電子與計(jì)算機(jī)工程系博士研究生余文卓、基亞拉什·薩貝特（Kiarash Sabet）是共同一作。通訊作者為UCLA電子與計(jì)算機(jī)工程系副教授薩姆·埃馬米內(nèi)賈德（Sam Emaminejad）和生物工程系教授迪諾·迪·卡洛（Dino Di Carlo）。
圖|相關(guān)論文（來源：Nature）
如今，林海松已經(jīng)離開美國，也離開了當(dāng)時(shí)的團(tuán)隊(duì)，目前任職于香港大學(xué)，但基于Ferrobot平臺(tái)的跨國合作仍會(huì)繼續(xù)。
在科研層面，他們?nèi)栽诨贔errobot平臺(tái)尋找一些關(guān)鍵的生物化學(xué)標(biāo)記物，希望能對(duì)更多類型的人體健康狀況進(jìn)行評(píng)估，甚至對(duì)潛在疾病進(jìn)行預(yù)測。
在成果轉(zhuǎn)化層面，在由香港大學(xué)機(jī)械工程系教授岑浩璋領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)研究中心（Advanced Biomedical Instrumentation Center）里，林海松最為相關(guān)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人正嘗試把自動(dòng)化生物標(biāo)記的檢測技術(shù)，推向更多外部實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院、以及檢測機(jī)構(gòu)。
當(dāng)然，也在嘗試推向?qū)こ０傩占?，希望能讓人們通過幾滴唾液或汗液，就可以在電腦旁獲取自己的健康信息。另據(jù)悉，目前林海松課題組也在招募博士生、博士后和科研助理（linhs hku.hk）。
