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新浪科技:加拿大多伦多大学教授孙钰:微纳机器人技术与应用前沿

时间: 2018-03-07 14:57 来源: 世界机器人大会

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新浪科技讯 1024日消息,2016世界机器人论坛21日开始举行,大会邀请国内外机器人领域知名学者、专家围绕共创共享共赢,开启智能时代这一主题进行交流研讨。加拿大多伦多大学教授、加拿大工程院院士、哈尔滨工业大学机器人集团中央研究院首席科学家孙钰,演讲题目为《微纳机器人技术与应用前沿》,他表示,医疗领域、制造领域微纳机器人能够实现高的精确分辨率,同时还可以实现纳米级别的运动分辨率。微纳机器人可以给诊断带来更好的帮助,通过搜集数据,能够帮助在形态学的研究方面得出更加可靠的结论;通过微操控的形式对药物进行测试,能够让老药有一些新的用法。他还强调,目前微纳机器人取得了巨大的进展,包括用在自动化控制方面,影响到了很多的学科,并且应用到了很多社会的领域,包括外科、诊断、个性化医疗和制造,包括高端制造和纳米制造等等。

  以下为演讲实录:

  各位早上好,今天上午我要和大家分享的是过去几年当中微纳机器人当中出现了什么新的趋势,而且有了微纳机器人我们在未来可以怎样进行应用。

  首先从制造业开始,这里视频显示的是机器人在搬运不同的物体,过去机器人取得了很大的进步,问题是如果说我们要变得更小更微型的话,到了纳米级别会发生什么事情?我在瑞士的苏黎士工作过一段时间,那些手表的精密制造当中有些顶级的手表,也有一些精密的仪器是用手工来打造的。这个网站上面有一张照片,如果仔细看的话,它是用机器人在制造钟表的零件。实际上这个机器人是在帮忙转运这些零件,而不是在组装一个手表。所以当达到纳米级别的时候会发生什么样的情况呢?就是在一个毫米的级别,而且是十微米的层级里面,现在把它抓起来不是特别难的,因为把它释放是更困难的。可以看到由于它太小了,可以粘在这个抓臂的上面,所以我们把这个物体抓起来以后如何进行释放呢?这个中间除了要考虑到重力,另外还要考虑到表面力等等。当然,重力是由表面力主导的,所以你要去看一下,它有三个臂,两边的是负责去抓,中间的是进行力的控制,这样可以抓取一个细胞级别的东西,比如可以抓取癌细胞。另外我们需要去克服表面力,但是表面力也可以进行利用。这是和西雅图的太和因特合作,使用水蒸气的表面力进行电子器件的装配。问题取决于你如何使用表面力,要让它为你所用。

  这是变色龙的脚,这里有很多纳米级别的结构,所以我们在模仿这样的一些蜥蜴和爬行动物的脚的结构,这样能够让机器人在不同的表面很好地行走。达芬奇的力量机器人是目前最为先进、最为成功的医疗机器人,并不是能够完全利用机器人做手术,所以到了一纳米的级别,我们可以给医疗机器人带来很多技术的推动。这是MRA核磁共振的影像,你可以在任何一个医院当中找到核磁共振的机器。这是一个非常好的影像仪器,但我们可以通过MRA的影片把它当做一个驱动器,控制一个纳米级别的机器人可以进行外科手术。

  请大家仔细地看一下,这个中间有一个黑点,就是在眼睛当中往返移动。这是苏黎士大学做的由磁铁控制的,就是在眼睛里面做的眼科手术,所以完全是自主控制的,而且还能够很好地进行精确的定位,融入了很多的功能。这是一微米级别的做眼科手术的机器人,而且完全是微创手术。和传统机器人不一样的是,纳米的并行机器人可以进行更多的控制,除了这样的操作臂之外还有光场、电场和磁场的情况,所以我们可以使用电场来控制这样的一些纳米的物体,也可以移动一个单一的细胞或者微小的颗粒,我们可以通过这种电磁控制纳米级别所有小的微粒。这些小的控制器是3D的,而且就像我的手掌这么大,也有直流的电机,可以实现高的精确分辨率,同时还可以实现纳米级别的运动分辨率。

  为什么我们要使用这些机器人操纵手呢?这是过去几年我们小组曾经研究过的一个项目,就是人类的精子细胞,我们可以通过这种操作手很好地进行吸取和释放。我们有一个很小的操作手,所以我们可以根据组织筛选这些精子的质量,然后把高质量的精子筛选出来之后可以让医院使用。我们应该如何在管子里面定位这样的精子细胞呢?这是一个病人捐献的细胞,如果大家仔细观察的话,下面的精子被放到了卵子细胞里面。这是我们第一次通过机器人进行这样的生殖细胞手术,所以可以说是在微观层面模仿了达芬奇的医疗机器人,这样的话就可以让所有类似的手术能够有更高的成功率,微纳系统也可以给诊断带来更好的帮助。

  这里我展示的例子是膀胱癌,这种癌症不是最为致命的癌症,但是有很高的复发率,复发率达到了百分之七十,所以要经常进行检测。每次可以在尿液当中发现一百五十个这样的细胞,其中二十到三十个细胞的形态上会和癌细胞形成混淆,所以目前癌症无创检测完全可以依赖细胞形态的观测,可以使用的尿液检测通过形态学和机器人细胞进行机械电子指标的,增强目前膀胱癌无创检测的准确度。但是由于形态学的观测还不能让我们感觉到有足够精度、足够可靠的结论,所以通过这样的学习,微纳级别可以给我们的形态学观察提供更多的线索,也会给我们提供更多的信息,比如这个电子指标和机械指标,这里说的是它的黏性、弹性和软硬程度等等。所以我使用的是大数据的方式,这样的话可以让我们的机器人搜集这样的一些数据,如果没有数据的话,不论你的算法多么先进,你是很难得出很好的结论的。我们可以通过微纳机器人搜集数据,能够帮助我们在形态学的研究方面得出更加可靠的结论。基于这些资料可以建立起一个很大的资料库和数据库,然后让你为病人做出更加准确的检查。

  这是尿液的细胞,我们在这个细胞上施加非常精确的压力,然后看一下这个细胞的反应。这里有两个柱状图,左边的是正常的细胞,右边的是病人的癌细胞。我们进行对比之后可以看到,癌细胞要比正常的细胞软一倍,所以可以通过大量的大数据计算让微纳机器人采集的数据对检查有所帮助。

  药物测试这样的机器人能够做什么贡献呢?我们之前说到了癌症,但事实上癌症只是人类致死疾病之一,导致人类死亡率最高的疾病是心脏病。很多时候导致心脏猝死的是细胞和血管里面间歇通道的功能异常,如果说你还没有听说过这样的术语,你可以看一下左边的两个心脏细胞,中间是有一个黄色的通道,其中有一个物质从通道里面互相进行沟通,所以我们就是要使用机器人技术实现两个目标。第一是再利用FDA已经批准的药物,第二是为每个病人选取最有效的药物。这里我并不是说哪一类型的病人,而是说单个的病人个体,所以我们和德国的一个机构进行合作,也希望合作能够实现这两个目标。

  如果说大家对我们过去的文献有所研究,这里有一篇文章说到对一些老药有些新的玩法,就是在第一期的临床实验的时候,这些老的药如果有很好的模型,由于它的基因背景不一样,所以整个测试的成果和结果是不一样的,所以在第一期临床实验当中,由于临床失败会让医院公司蒙受上百万美元的损失。我们可以让每一种药物实现这种多的用途,然后我们不需要再花上几百万美元去新开发一种药物,而是充分利用现有的药物,这样的话也可以充分利用人的基因资源。过去的十年当中,全世界医疗界实际上都在关注人类的细胞来治疗病人,如果你是一个病人,取了你的一些细胞进行检查,这些细胞对你来说是独特的,和其他人是不一样的,所以我们可以在这些细胞上做一些药物的测试。

  机器人能够做以下的一些事情,比如我们有二百五十种药物,看一看这些药物在治疗哮喘和对颗粒过敏方面都有什么样的效果,所以能够将一些原子级别的药物输入到这个细胞当中,然后看一看这些药物对于细胞的效果。图中黄色的细胞就是机器人注入的东西,可能会扩散到周围的细胞当中。这个部分的面积越大,药物的影响力就会越大。这样做的话我们一个小时可以测试一千个细胞,而不是像过去传统的那种扩散测试的时候可能一天才能做十个细胞。现在这样的方式有着非常强大的自动化扩散的能力,能够很快地测试很多类型的药物。我希望我说清楚了,机器人通过这种微操控的形式对药物进行测试,并且能够让老药有一些新的用法。

  解释一下我们是如何从一些小的级别往更小的医药领域去走,刚开始实际上是微米级别,可能会用非常尖细的探针接触一些物体,通过这些探针可以看到非常细小的细节。这项技术开发出来之后也取得了很大的进展,比如密西根州立大学和哈工大都在进一步改善这些技术,包括在德国和法国也是这样。这个过程更短,这样的话我们就可以很容易地看到纳米级别的物体。可以想一想这种电子显微镜未来可以用作微米级的传感器,能够看到更多纳米级别的东西。这个在九十年代开始做,今天Akula教授就是这个领域的领路者之一,也在进行一些纳米级别的操作。

  这个机器人有四个机械臂,都是XYZ三项移动功能,也有纳米级别的移动分辨率,我们这里纳入了很多非常精密的传感器。这个视频是培训机器人来做一些事情,我们和三星检测一些晶体管和最新的消费电子设备,这样的话能够彻底地改变对集成电路的检测方式。这种探针是在不同位置移动进行检测,三星也能够将集成电路的检测进行进一步的升级,实现更高程度的自动化。

  最后一个例子是纳米制造,就是蛋白质的传感器。这个图看着像一个面条一样,但是每一个都是一个硅基的线缆。对于这种蛋白质的传感器,能够帮助检查很多癌症,比如检查它的蛋白质的状态。传统的制造业可能只能把它很好地部署下去,但是不能很好地控制它。这些是非常昂贵的技术,但是我们做的是把这个线放置在我们的系统下面。大家可以看到,这个机器人可以做这样的一个动作,能够保证蛋白质传感器更加地精准。当然,这是一个研究的产品原型。

  如何用纳米机器人来推动基因行业的发展?昨天的会议上有一个生物领域的专家来到我们的展台问我机器人是否能够拾起一个二十纳米级别的病菌,二十纳米其实是非常非常小的,甚至到了原子核的级别,如果看细胞核的话,我们甚至能够抓取一些纳米级别的东西,甚至在细胞核内部的东西我们都能够比较精确地进行抓取。昨天那个人来到我们的展台说我们想做一些大数据进一步探索,比如病毒和这个级别细胞新的领域,然后他们可以对基因进行排序来治疗传染病。抓取这些基因材料之后我们可以对基因进行排序,然后对基因进行绘图,了解到一个细胞内的具体结构。

  最后来谈几个愿景,这是来自业界和Youtube上面的视频,未来几年我们可以将机器人部署到我们的血液当中,并且能够控制它,我们也能够做这种精准用药,然后会做一些非常精准的手术。十年以前我们在说这些东西的时候大家都会笑话我们,觉得这是不太可能的,但是现在这些事情仍然没有实现,现在我们再谈论这些愿景的时候,我们发现很多挑战已经被解决掉了,所以未来这种愿景肯定会实现,也希望在我的有生之年看到这种愿景得以实现。Youtube上面还有很多类似的视频,让我比较感兴趣的是,这是一个材料科学家提出的愿景,他们希望未来的制造业是一个原子级别的制造,甚至是纳米级别的制造,再加上机器人的运用。我非常同意他的愿景,未来机器人将会在制造业当中发挥非常大的作用。

  今天和大家分享了医疗领域、制造领域纳米级别机器人能够发挥什么样的作用,最后来做一个总结:过去的十年我们看到微纳机器人取得了巨大的进展,包括用在自动化控制方面,这影响到了很多的学科,并且应用到了很多社会的领域,包括外科、诊断、个性化医疗和制造,包括高端制造和纳米制造等等。

  谢谢各位的聆听!



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