席寧教授認(rèn)為，人類對于生命的理解已經(jīng)到達分子和細胞的尺度，藥物研發(fā)和治療手段的創(chuàng)新，需要在分子和細胞尺度上進行測量和操作的方法——微納機器人。他進而例舉了微納機器人用于新藥開發(fā)與診斷治療的多個例子。他認(rèn)為，微納機器人擴展了人的能力，讓人們對自然的探索深入到了納米尺度，將為人類的方方面面帶來顛覆性的影響。

 

　　以下內(nèi)容由理自席寧教授的報告所得，有刪減：

 

　　今天我想介紹下微納機器人在醫(yī)藥和新藥開發(fā)的應(yīng)用。

 

　　我們知道醫(yī)療主要是診斷和治療兩個方面。在工程的角度，診斷是對人體的各種異?，F(xiàn)象進行測量。治療，在工程的角度是改變?nèi)梭w細胞現(xiàn)有的狀態(tài)。而機器人的兩個重要功能：傳感（Sensing）和操作（Manipulation）正好能在診斷和治療中發(fā)揮重要作用。

 

　　我們首先回顧人類和疾病做斗爭的歷史，開始的時候，診斷是看病人的氣色好不好，中醫(yī)看舌苔、看氣色、臉色好不好。以后有了X光技術(shù)，可以看到身體里面，看到肺等器官，從器官的形態(tài)來診斷病人的身體狀態(tài)?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)發(fā)展到了細胞、分子階段，醫(yī)療診斷也一樣。我們需要把診斷技術(shù)降到微米、納米的尺度，在細胞分子的尺度進行Sensing，提供新的診斷方式。

 

　　治療也是一樣，開始是器官的角度，針對器官進行操作，以西醫(yī)為例，器官的修補和切除都在這個尺度。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，手術(shù)開始在細胞層次、DNA分子層面上開展，而DNA分子是控制細胞生長發(fā)育的核心密碼，而細胞是組成器官組織的基本單元，將從更根本的原因上解決人類的疾病問題。同時，隨著尺度的降低就需要更小的尺度上的Sensing和Manipulation方法。

　　新藥開發(fā)為什么需要這個？

 

　　最傳統(tǒng)的中藥，是人類通過幾百上千年的積累，通過不斷的試驗總結(jié)出來的，是時間積累的結(jié)果。傳統(tǒng)的新藥開發(fā)則是以靶點為基礎(chǔ)的新藥開發(fā)，即基于信號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)（Signaling pathway ）的新藥研發(fā)這樣全面看到疾病和各種因素之間的關(guān)系，對副作用考慮比較全面，這個層次進行新藥開發(fā)需要新的手段和新的技術(shù)，即分子和細胞的層次上的Sensing和Manipulation，這同時為機器人的發(fā)展提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

　　藥物開發(fā)是人類和疾病做斗爭里很重要的一部分。現(xiàn)在人類面臨很大的挑戰(zhàn)，是新藥開發(fā)的成本越來越高，開發(fā)一個藥物需要10-15億美元，耗費近10年時間。現(xiàn)在新藥開發(fā)的投資每年不斷增長，但藥的數(shù)量基本上是持平的，說明新藥出現(xiàn)的很少，成本不斷提高投入與產(chǎn)出的差距越來越大。

 

　　與此同時，目前新的疾病越來越多，幾十年前很多病沒有聽說過，但現(xiàn)在出現(xiàn)很多新病，藥的數(shù)量沒有增加，成本越來越高。這是人類和疾病做斗爭很大的問題。解決這個問題需要開辟新的新藥開發(fā)的途徑，必須利用新技術(shù)才能改變現(xiàn)狀。

 

　　超限機器人

 

　　機器人和自動化技術(shù)能不能幫助我們解決這個問題？

 

　　人工智能、機器人是很熱的領(lǐng)域，在制造行業(yè)和生活里起到很大的作用，而且在新藥和醫(yī)療診斷和治療方面，同樣也會起到很大的作用。

 

　　機器人最開始是代替人（機器換人），用來做人可以做但是不愿意做的事情，比如高重復(fù)性的勞動，但隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已經(jīng)從簡單的代替人變成了擴展人，不僅僅是代替人做人不愿意做的事，同時做人做不了的事。比如，機器人和現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，機器人能在很遠的地方進行操作，可以幫助人克服距離帶來的困難。

 

　　機器人在很小的尺度里進行操作和測量，意思是它可以克服尺度給人類帶來的困難，在人看不見、摸不著的環(huán)境中進行操作和測量。這樣的話，它在醫(yī)療診斷和新藥開發(fā)里面就有很多應(yīng)用。同時機器人還可以進入人很難進入的環(huán)境，比如生理環(huán)境，進入人的身體，幫助人克服環(huán)境給人帶來的困難。尺度太小、太遠、環(huán)境太特殊，人就做不了，但有了機器人的幫助，我們就可以克服這些困難。機器人幫助我們超越了人的能力極限，超過了尺度、距離、環(huán)境給人帶來的限制。

 

　　這就是超限機器人，讓機器人擴展人的限度，做人做不了的事情。這種技術(shù)在新藥開發(fā)和醫(yī)療診斷里面有很大的應(yīng)用。

 

　　傳統(tǒng)概念中，機器人在制造業(yè)，比如汽車制造業(yè)，起到很大的作用。我們現(xiàn)在想怎么樣把自動化機器人在汽車制造、生產(chǎn)制造里面的技術(shù)，移植到新藥開發(fā)、移植到醫(yī)療診斷和治療，克服我剛才說的新藥開發(fā)、醫(yī)療診斷中人類面臨的挑戰(zhàn)。

 

　　潛在的經(jīng)濟價值是非常大的。根據(jù)統(tǒng)計，汽車工業(yè)的產(chǎn)值是7280億美元，里面有5080億是由自動化和機器人的使用所帶來的價值。也就是說，沒有機器人和自動化，就不會有汽車產(chǎn)業(yè)的今天，也就不會有人類今天所擁有的物質(zhì)文明。

 

　　而全球制藥工業(yè)比汽車工業(yè)還要大，而且現(xiàn)在新藥開發(fā)過程中自動化程度非常低，汽車制造中機器人已經(jīng)大規(guī)模使用，但新藥研發(fā)多還在實驗室里依靠手工操作完成，自動化程度非常低。按照經(jīng)濟學(xué)相似的統(tǒng)計原理，如果我們把機器人和自動化用于新藥開發(fā)，潛在的經(jīng)濟價值極大并遠超汽車工業(yè)。

 

　　納米機器人用于新藥開發(fā)

 

　　我們怎么把自動化和機器人的概念用于新藥開發(fā)呢？

 

　　我們想象，像今天的流水線一樣，傳送帶不斷把細胞送進機器人的工作空間中來，機器人把不同的藥物放到細胞上，同時對細胞進行測量，測量不同的靶點、測量不同藥的作用。

 

　　整個過程的自動化，要達到這個目的有幾個關(guān)鍵技術(shù)：一是自動化輸運；二是自動化給藥和自動化測量給藥。

 

　　這在汽車工業(yè)和制造行業(yè)都基本實現(xiàn)了。但最大的不同是，汽車的裝配制造，所有的零件尺寸都差不多，是結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，所有東西都是人制造的。但是新藥開發(fā)中，每個細胞長的不一樣，它是非結(jié)構(gòu)化的（unstructured），所以從感知控制和規(guī)劃方面，對機器人技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

 

　　為了迎接挑戰(zhàn)，我們做了幾方面做的工作。首先機器人要有操作的手段，我們發(fā)展了納米操作機器人，可以在納米尺度上對物體進行操作和測量，這是非常重要的。機器人要做操作，最重要的是把看不見摸不著的東西，變得既能看到又能摸著，這樣才能把藥放在特定的位置，才能測量藥的效果。

　　比如，上圖中右邊顯示的是一個納米操作機器人，人用操縱桿進行操作。機器人可以在里面運動，右圖下面是一個細胞，我們可以做一些手術(shù)，把某些部分切除或者放些藥物在上面。

 

　　要做到這點，要把納米尺度的環(huán)境顯示出來，這樣人才能看見、才能進行操作。我們發(fā)現(xiàn)一種技術(shù)，能高速的在納米尺度下進行成像，產(chǎn)生像視頻一樣的實時圖像，這樣能夠幫助操作。我們用了壓縮感知的原理，因為尺度非常小，要高速的對環(huán)境進行測量，因為光學(xué)是看不見的，尺度太小，要用原子力顯微鏡、電子顯微鏡測量。

　　上圖是一個實時的圖像，是DNA分子在液體里晃動。我們可以實時測量DNA分子的運動，這是很小的尺度，因為DNA分子的直徑只有1-2納米。

 

　　這是進行操控和測量的基本的東西。有了這之后，我們就可以進行操作。

　　上圖左邊是一個DNA分子，紅色的是納米機器人。我們讓納米機器人沿著DNA分子進行運動，保持在DNA分子上，這樣就要求位置控制的精度在1-2納米。它的作用是，我們知道DNA最重要的是測序，測序后能夠?qū)ξ磥淼募膊∵M行預(yù)測。測序是對ATCG四種不同的分子進行測量，如果一個納米機器人沿著走，就能很快知道分子組成，這是快速對DNA進行測序的方法。

 

　　成像很重要，但同時要進行操作。操作的時候要在微納米尺度上要進行手術(shù)，手術(shù)要求機器人的終端執(zhí)行器具有一定的剛度，而成像感知則要求終端執(zhí)行器非常的柔軟因此在操作和成像之間存在矛盾。比如一個納米級的探針，如果很小、很軟，你要推一個東西時，就會變彎推不動，這給納米尺度上進行操作帶來了很大的困難。但不能做得剛度很大，如果剛度過大，摸到一個很軟的東西，會不知道它的軟硬，導(dǎo)致傳感和測量的精度降低。

 

　　我們解決這個矛盾的辦法是，在探針上加了一個驅(qū)動器，通過控制驅(qū)動器能改變探針的機械特性，使得探針的剛度可調(diào)，測量的時候變得很軟，很容易測量環(huán)境的軟硬。同時操作的時候讓它變得很硬。

　　比如上圖中的納米線，大概僅100納米，是頭發(fā)直徑的千分之一。黑的是探針，我們加上去控制信號后，探針本身就變硬了，就可以推動。探針通過改變機械特性，就可以達到我們的目的。這是微納米操作里是很重要的例子。

 

　　納米機器人用于診斷治療

 

　　機器人相關(guān)的技術(shù)，醫(yī)療診斷治療里面有什么應(yīng)用？

 

　　比如治療皮膚病中的牛皮癬。牛皮癬是一種免疫疾病。人皮膚中上皮細胞與細胞之間有一種蛋白質(zhì)Desmosome。由于一些免疫疾病，人體會產(chǎn)生一種抗體（一種蛋白質(zhì)），它會攻擊并破壞Desmosome，在人體表面形成很多水泡，而且會爛。當(dāng)時整個過程的機制并不清楚，有人猜測是抗體的原因，還有人猜測可能是信號傳導(dǎo)的過程導(dǎo)致的。

 

　　因為環(huán)境限度的原因，研究起來非常困難。我們的辦法是，用納米機器人機械的把Desmosome切開。或是用納米機器人把抗體直接放到Desmosome上，看會不會破壞。通過機械切割和抗體作用的對比，就可以試驗出來兩者之間的異同進而為確定這種疾病的產(chǎn)生原因提供幫助。

 

　　最后通過我們的研究證明，這種皮膚病不是機械作用所產(chǎn)生的，而是信號傳導(dǎo)所引起的，因此工具和技術(shù)的提升讓原來很難研究的問題變得容易。

 

　　我們還可以用這個方法研究干細胞的分解。干細胞很重要，但預(yù)測它什么時候分解，在什么條件下分解，對分解的狀態(tài)進行測量，是非常難的事。由于有納米機器人，可以對一些干細胞的機械特性進行實時測量，預(yù)測出來分解的狀態(tài)。

 

　　另一個應(yīng)用納米機器人在治療領(lǐng)域比較成功的例子，是淋巴瘤。淋巴瘤治療有一種特效藥——美羅華，這是一種靶向藥物并在臨床上得到了極大成功應(yīng)用。但是卻存在耐藥性差異問題，即這種藥物對有的人有效，有的人沒效。該藥物價格昂貴，治療成本高，如果不能預(yù)先了解治療效果，不但浪費金錢同時耽誤了寶貴的治療時機。所以需要一種方法，在治療之前預(yù)測治療效果怎么樣。

 

　　我們用納米機器人取出病人身上的癌細胞，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)癌細胞靶點與藥物結(jié)合力達到一定程度時，才會有作用。通過這個研究，可以預(yù)測采用靶點治療以后的效果會是什么樣，這在臨床上的意義是非常大的。

　　還有一個例子是研究細胞黏合力。細胞黏合力的大小直接影響傷口的愈合。它還有一個很重要的作用是用于假肢領(lǐng)域。現(xiàn)在有一種成功的方法，是把鋼管插到骨頭里，讓假肢的效果跟真人一樣。但里面有一個很大的問題，即鋼管插到腿里，皮肉要長在鋼管外面，但往往會產(chǎn)生縫隙，會讓細菌引起感染，時間長了以后會引起骨頭感染，導(dǎo)致最后還是要取掉假肢。人們期望對細胞的黏合力開展研究，特別是細胞和假肢之間的黏合力，了解其中的機制后，就可以通過一系列的辦法讓它黏合的很好，防止感染。

 

　　這很難。比如細胞的黏合力怎么測量？通過納米機器人開發(fā)了一個辦法，可以實時測量，從而研究不同的藥物對黏合力的影響。

 

　　還有一個應(yīng)用是對離子通道離子電流的測量。實時測量離子通道的電流，對于了解細胞的生理功能和治療很多疾病有很重要的意義。但是測量很難，以前傳統(tǒng)的方法叫膜片鉗，它是一種技術(shù)活，要練很多年才能測?，F(xiàn)在用納米機器人技術(shù)能很準(zhǔn)確的定位，很準(zhǔn)確的進行測量，將原來很復(fù)雜的過程變得很簡單了，能高速的進行測量。

 

　　人的耳朵里有內(nèi)耳細胞，內(nèi)耳細胞表面有很多纖毛，就像天線一樣。當(dāng)空氣中的振動傳導(dǎo)耳蝸后，會引起纖毛的彎曲形變，進而打開特定的離子通道，產(chǎn)生信號并讓人聽到聲音。由于離子通道的問題，會讓很多人失聰。所以要研究一種藥物改變這種現(xiàn)象，但研究藥物的過程中要有辦法實時測量，看藥物能不能讓離子通道正常。

 

　　但這種測量很難，因為要在細胞上離子通道進行測量，同時還要產(chǎn)生機械刺激動，使得纖毛產(chǎn)生彎曲形變，這需要在很小的尺度上進行精確操作，非常困難。利用納米機器人，我們不但可以對這些纖毛進行超微超精確的機械刺激，同時還能對離子通道進行測量，這樣就通過試不同的藥物，了解其治療效果。

 

　　總結(jié)來說，人類對生命的認(rèn)知已經(jīng)到了分子和細胞尺度。因此無論是藥物開發(fā)還是治療手段的創(chuàng)新，都需要在分子和細胞尺度上的測量和操作的工具，進而把傳統(tǒng)的手術(shù)從器官的水平縮小到分子和細胞的水平，這樣幫助我們進行醫(yī)療診斷，幫助我們進行新藥開發(fā)，從而產(chǎn)生很多新的診斷和治療的方法，來應(yīng)對人類面對的疾病。