7月7日，中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)與香港中文大學(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)療人工智能專場，香港大學(xué)講席教授、尖端技術(shù)研究所所長、IEEE RAS候任主席席寧做了大會(huì)報(bào)告。

席寧教授認(rèn)為，人類對于生命的理解已經(jīng)到達(dá)分子和細(xì)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(xì)胞尺度上進(jìn)行測量和操作的方法——微納機(jī)器人。他進(jìn)而例舉了微納機(jī)器人用于新藥開發(fā)與診斷治療的多個(gè)例子。他認(rèn)為，微納機(jī)器人擴(kuò)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)容由雷鋒網(wǎng)整理自席寧教授的報(bào)告，有刪減：

今天我想介紹下微納機(jī)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(gè)方面。在工程的角度，診斷是對人體的各種異?，F(xiàn)象進(jìn)行測量。治療，在工程的角度是改變?nèi)梭w細(xì)胞現(xiàn)有的狀態(tài)。而機(jī)器人的兩個(gè)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(shí)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(xì)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(xì)胞分子的尺度進(jìn)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(jìn)行操作，以西醫(yī)為例，器官的修補(bǔ)和切除都在這個(gè)尺度。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，手術(shù)開始在細(xì)胞層次、DNA分子層面上開展，而DNA分子是控制細(xì)胞生長發(fā)育的核心密碼，而細(xì)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(shí)，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(gè)？

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(yàn)總結(jié)出來的，是時(shí)間積累的結(jié)果。傳統(tǒng)的新藥開發(fā)則是以靶點(diǎn)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(gè)層次進(jìn)行新藥開發(fā)需要新的手段和新的技術(shù)，即分子和細(xì)胞的層次上的Sensing和Manipulation，這同時(shí)為機(jī)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?，F(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(gè)藥物需要10-15億美元，耗費(fèi)近10年時(shí)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(shí)，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(gè)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(jī)器人

機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)能不能幫助我們解決這個(gè)問題？

人工智能、機(jī)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(huì)起到很大的作用。

機(jī)器人最開始是代替人（機(jī)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(dòng)，但隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)從簡單的代替人變成了擴(kuò)展人，不僅僅是代替人做人不愿意做的事，同時(shí)做人做不了的事。比如，機(jī)器人和現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，機(jī)器人能在很遠(yuǎn)的地方進(jìn)行操作，可以幫助人克服距離帶來的困難。

機(jī)器人在很小的尺度里進(jìn)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(jìn)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(shí)機(jī)器人還可以進(jìn)入人很難進(jìn)入的環(huán)境，比如生理環(huán)境，進(jìn)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(yuǎn)、環(huán)境太特殊，人就做不了，但有了機(jī)器人的幫助，我們就可以克服這些困難。機(jī)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(jī)器人，讓機(jī)器人擴(kuò)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(jī)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(dòng)化機(jī)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(jì)價(jià)值是非常大的。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車工業(yè)的產(chǎn)值是7280億美元，里面有5080億是由自動(dòng)化和機(jī)器人的使用所帶來的價(jià)值。也就是說，沒有機(jī)器人和自動(dòng)化，就不會(huì)有汽車產(chǎn)業(yè)的今天，也就不會(huì)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(dòng)化程度非常低，汽車制造中機(jī)器人已經(jīng)大規(guī)模使用，但新藥研發(fā)多還在實(shí)驗(yàn)室里依靠手工操作完成，自動(dòng)化程度非常低。按照經(jīng)濟(jì)學(xué)相似的統(tǒng)計(jì)原理，如果我們把機(jī)器人和自動(dòng)化用于新藥開發(fā)，潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值極大并遠(yuǎn)超汽車工業(yè)。

納米機(jī)器人用于新藥開發(fā)

我們怎么把自動(dòng)化和機(jī)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(xì)胞送進(jìn)機(jī)器人的工作空間中來，，機(jī)器人把不同的藥物放到細(xì)胞上，同時(shí)對細(xì)胞進(jìn)行測量，測量不同的靶點(diǎn)、測量不同藥的作用。

整個(gè)過程的自動(dòng)化，要達(dá)到這個(gè)目的有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：一是自動(dòng)化輸運(yùn)；二是自動(dòng)化給藥和自動(dòng)化測量給藥。

這在汽車工業(yè)和制造行業(yè)都基本實(shí)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(gè)細(xì)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(jī)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(jī)器人要有操作的手段，我們發(fā)展了納米操作機(jī)器人，可以在納米尺度上對物體進(jìn)行操作和測量，這是非常重要的。機(jī)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(gè)納米操作機(jī)器人，人用操縱桿進(jìn)行操作。機(jī)器人可以在里面運(yùn)動(dòng)，右圖下面是一個(gè)細(xì)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(diǎn)，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)，能高速的在納米尺度下進(jìn)行成像，產(chǎn)生像視頻一樣的實(shí)時(shí)圖像，這樣能夠幫助操作。我們用了壓縮感知的原理，因?yàn)槌叨确浅Ｐ。咚俚膶Νh(huán)境進(jìn)行測量，因?yàn)楣鈱W(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(gè)實(shí)時(shí)的圖像，是DNA分子在液體里晃動(dòng)。我們可以實(shí)時(shí)測量DNA分子的運(yùn)動(dòng)，這是很小的尺度，因?yàn)镈NA分子的直徑只有1-2納米。

這是進(jìn)行操控和測量的基本的東西。有了這之后，我們就可以進(jìn)行操作。

上圖左邊是一個(gè)DNA分子，紅色的是納米機(jī)器人。我們讓納米機(jī)器人沿著DNA分子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行預(yù)測。測序是對ATCG四種不同的分子進(jìn)行測量，如果一個(gè)納米機(jī)器人沿著走，就能很快知道分子組成，這是快速對DNA進(jìn)行測序的方法。

成像很重要，但同時(shí)要進(jìn)行操作。操作的時(shí)候要在微納米尺度上要進(jìn)行手術(shù)，手術(shù)要求機(jī)器人的終端執(zhí)行器具有一定的剛度，而成像感知?jiǎng)t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(gè)納米級的探針，如果很小、很軟，你要推一個(gè)東西時(shí)，就會(huì)變彎推不動(dòng)，這給納米尺度上進(jìn)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(gè)很軟的東西，會(huì)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(gè)矛盾的辦法是，在探針上加了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，通過控制驅(qū)動(dòng)器能改變探針的機(jī)械特性，使得探針的剛度可調(diào)，測量的時(shí)候變得很軟，很容易測量環(huán)境的軟硬。同時(shí)操作的時(shí)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(dòng)。探針通過改變機(jī)械特性，就可以達(dá)到我們的目的。這是微納米操作里是很重要的例子。

納米機(jī)器人用于診斷治療

機(jī)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(xì)胞與細(xì)胞之間有一種蛋白質(zhì)Desmosome。由于一些免疫疾病，人體會(huì)產(chǎn)生一種抗體（一種蛋白質(zhì)），它會(huì)攻擊并破壞Desmosome，在人體表面形成很多水泡，而且會(huì)爛。當(dāng)時(shí)整個(gè)過程的機(jī)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?yàn)榄h(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(jī)器人機(jī)械的把Desmosome切開?；蚴怯眉{米機(jī)器人把抗體直接放到Desmosome上，看會(huì)不會(huì)破壞。通過機(jī)械切割和抗體作用的對比，就可以試驗(yàn)出來兩者之間的異同進(jìn)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(jī)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(gè)方法研究干細(xì)胞的分解。干細(xì)胞很重要，但預(yù)測它什么時(shí)候分解，在什么條件下分解，對分解的狀態(tài)進(jìn)行測量，是非常難的事。由于有納米機(jī)器人，可以對一些干細(xì)胞的機(jī)械特性進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，預(yù)測出來分解的狀態(tài)。

另一個(gè)應(yīng)用納米機(jī)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(jià)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(fèi)金錢同時(shí)耽誤了寶貴的治療時(shí)機(jī)。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(jī)器人取出病人身上的癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)癌細(xì)胞靶點(diǎn)與藥物結(jié)合力達(dá)到一定程度時(shí)，才會(huì)有作用。通過這個(gè)研究，可以預(yù)測采用靶點(diǎn)治療以后的效果會(huì)是什么樣，這在臨床上的意義是非常大的。

還有一個(gè)例子是研究細(xì)胞黏合力。細(xì)胞黏合力的大小直接影響傷口的愈合。它還有一個(gè)很重要的作用是用于假肢領(lǐng)域?，F(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(gè)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(huì)產(chǎn)生縫隙，會(huì)讓細(xì)菌引起感染，時(shí)間長了以后會(huì)引起骨頭感染，導(dǎo)致最后還是要取掉假肢。人們期望對細(xì)胞的黏合力開展研究，特別是細(xì)胞和假肢之間的黏合力，了解其中的機(jī)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(xì)胞的黏合力怎么測量？通過納米機(jī)器人開發(fā)了一個(gè)辦法，可以實(shí)時(shí)測量，從而研究不同的藥物對黏合力的影響。

還有一個(gè)應(yīng)用是對離子通道離子電流的測量。實(shí)時(shí)測量離子通道的電流，對于了解細(xì)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(jī)器人技術(shù)能很準(zhǔn)確的定位，很準(zhǔn)確的進(jìn)行測量，將原來很復(fù)雜的過程變得很簡單了，能高速的進(jìn)行測量。

人的耳朵里有內(nèi)耳細(xì)胞，內(nèi)耳細(xì)胞表面有很多纖毛，就像天線一樣。當(dāng)空氣中的振動(dòng)傳導(dǎo)耳蝸后，會(huì)引起纖毛的彎曲形變，進(jìn)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(huì)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(shí)時(shí)測量，看藥物能不能讓離子通道正常。

但這種測量很難，因?yàn)橐诩?xì)胞上離子通道進(jìn)行測量，同時(shí)還要產(chǎn)生機(jī)械刺激動(dòng)，使得纖毛產(chǎn)生彎曲形變，這需要在很小的尺度上進(jìn)行精確操作，非常困難。利用納米機(jī)器人，我們不但可以對這些纖毛進(jìn)行超微超精確的機(jī)械刺激，同時(shí)還能對離子通道進(jìn)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(xì)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(xì)胞尺度上的測量和操作的工具，進(jìn)而把傳統(tǒng)的手術(shù)從器官的水平縮小到分子和細(xì)胞的水平，這樣幫助我們進(jìn)行醫(yī)療診斷，幫助我們進(jìn)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。