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| 本文作者： 張馳 | 2017-07-12 18:18 | 專題：GAIR 2017 |
雷鋒網按：7月7日，中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網與香港中文大學（深圳）承辦的第二屆CCF-GAIR全球人工智能與機器人峰會在深圳如期開幕。在大會第三天的醫療人工智能專場，香港大學講席教授、尖端技術研究所所長、IEEE RAS候任主席席寧做了大會報告。
席寧教授認為，人類對于生命的理解已經到達分子和細胞的尺度，藥物研發和治療手段的創新，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與診斷治療的多個例子。他認為，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。
以下內容由雷鋒網整理自席寧教授的報告，有刪減：
今天我想介紹下微納機器人在醫藥和新藥開發的應用。
我們知道醫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常現象進行測量。治療，在工程的角度是改變人體細胞現有的狀態。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，中醫看舌苔、看氣色、臉色好不好。以后有了X光技術，可以看到身體里面，看到肺等器官，從器官的形態來診斷病人的身體狀態。現在醫學發展到了細胞、分子階段，醫療診斷也一樣。我們需要把診斷技術降到微米、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，以西醫為例，器官的修補和切除都在這個尺度。隨著分子生物學的發展，手術開始在細胞層次、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。
新藥開發為什么需要這個？
最傳統的中藥，是人類通過幾百上千年的積累，通過不斷的試驗總結出來的，是時間積累的結果。傳統的新藥開發則是以靶點為基礎的新藥開發，即基于信號通路轉導(Signaling pathway )的新藥研發這樣全面看到疾病和各種因素之間的關系，對副作用考慮比較全面，這個層次進行新藥開發需要新的手段和新的技術，即分子和細胞的層次上的Sensing和Manipulation，這同時為機器人的發展提供了新的應用領域。
藥物開發是人類和疾病做斗爭里很重要的一部分。現在人類面臨很大的挑戰，是新藥開發的成本越來越高，開發一個藥物需要10-15億美元，耗費近10年時間。現在新藥開發的投資每年不斷增長，但藥的數量基本上是持平的，說明新藥出現的很少，成本不斷提高投入與產出的差距越來越大。
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，但現在出現很多新病，藥的數量沒有增加，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的途徑，必須利用新技術才能改變現狀。
機器人和自動化技術能不能幫助我們解決這個問題？
人工智能、機器人是很熱的領域，在制造行業和生活里起到很大的作用，而且在新藥和醫療診斷和治療方面，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，比如高重復性的勞動，但隨著機器人技術的發展，機器人已經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，機器人和現代信息技術、網絡技術結合起來，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、摸不著的環境中進行操作和測量。這樣的話，它在醫療診斷和新藥開發里面就有很多應用。同時機器人還可以進入人很難進入的環境，比如生理環境，進入人的身體，幫助人克服環境給人帶來的困難。尺度太小、太遠、環境太特殊，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。這種技術在新藥開發和醫療診斷里面有很大的應用。
傳統概念中，機器人在制造業，比如汽車制造業，起到很大的作用。我們現在想怎么樣把自動化機器人在汽車制造、生產制造里面的技術，移植到新藥開發、移植到醫療診斷和治療，克服我剛才說的新藥開發、醫療診斷中人類面臨的挑戰。
潛在的經濟價值是非常大的。根據統計，汽車工業的產值是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，就不會有汽車產業的今天，也就不會有人類今天所擁有的物質文明。
而全球制藥工業比汽車工業還要大，而且現在新藥開發過程中自動化程度非常低，汽車制造中機器人已經大規模使用，但新藥研發多還在實驗室里依靠手工操作完成，自動化程度非常低。按照經濟學相似的統計原理，如果我們把機器人和自動化用于新藥開發，潛在的經濟價值極大并遠超汽車工業。
我們怎么把自動化和機器人的概念用于新藥開發呢？
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鍵技術：一是自動化輸運；二是自動化給藥和自動化測量給藥。
這在汽車工業和制造行業都基本實現了。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，是結構化的環境，所有東西都是人制造的。但是新藥開發中，每個細胞長的不一樣，它是非結構化的（unstructured），所以從感知控制和規劃方面，對機器人技術提出了新的挑戰。
為了迎接挑戰，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，把某些部分切除或者放些藥物在上面。
要做到這點，要把納米尺度的環境顯示出來，這樣人才能看見、才能進行操作。我們發現一種技術，能高速的在納米尺度下進行成像，產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，要高速的對環境進行測量，因為光學是看不見的，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，測序后能夠對未來的疾病進行預測。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，手術要求機器人的終端執行器具有一定的剛度，而成像感知則要求終端執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動器，通過控制驅動器能改變探針的機械特性，使得探針的剛度可調，測量的時候變得很軟，很容易測量環境的軟硬。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。
機器人相關的技術，醫療診斷治療里面有什么應用？
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Desmosome。由于一些免疫疾病，人體會產生一種抗體（一種蛋白質），它會攻擊并破壞Desmosome，在人體表面形成很多水泡，而且會爛。當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的過程導致的。
因為環境限度的原因，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生的，而是信號傳導所引起的，因此工具和技術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，但預測它什么時候分解，在什么條件下分解，對分解的狀態進行測量，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，預測出來分解的狀態。
另一個應用納米機器人在治療領域比較成功的例子，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，發現只有當癌細胞靶點與藥物結合力達到一定程度時，才會有作用。通過這個研究，可以預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域。現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，以前傳統的方法叫膜片鉗，它是一種技術活，要練很多年才能測。現在用納米機器人技術能很準確的定位，很準確的進行測量，將原來很復雜的過程變得很簡單了，能高速的進行測量。
人的耳朵里有內耳細胞，內耳細胞表面有很多纖毛，就像天線一樣。當空氣中的振動傳導耳蝸后，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，同時還要產生機械刺激動，使得纖毛產生彎曲形變，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。
總結來說，人類對生命的認知已經到了分子和細胞尺度。因此無論是藥物開發還是治療手段的創新，都需要在分子和細胞尺度上的測量和操作的工具，進而把傳統的手術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療診斷，幫助我們進行新藥開發，從而產生很多新的診斷和治療的方法，來應對人類面對的疾病。
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