香港中文大学副教授张立:磁性医学机器人在生物医学方面的两个应用前景

· 2019-11-04 21:54

为何使用螺旋藻来制作机器人,张立表示,一个是藻类在自然界很丰富,加工很便宜;第二,可以降解,对人体没有伤害;第三是螺旋藻在降解的过程中对癌细胞有选择性的杀死作用,不会伤害普通的细胞,这样不需要去进一步做功能化。

11月1-2日,由中国国际科技交流中心、深圳市科学技术协会、深圳产学研合作促进会联合主办的“2019大湾区机器人与人工智能大会”在深圳盛大举办,向世界传递超前新思维,为产业激发空前新动能。

在“IEEE传感器理论及产业应用论坛”上,香港中文大学副教授张立发表了《磁性医学机器人在生物医学方面的最新进展》的主题演讲,并在会后接受了创客猫的采访。

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张立教授接受采访

对于微纳机器人在生物医学上的应用前景,张立指出了两个方面,一个是早期诊断,医院是容易有感染的地方,对于医院来说,医生会想尽快检测病人有没感染细菌,但如果医院很缺人手,通过微型机器人的话,经过15到30分钟的时间,就可以快速检测病人有没被感染。这个的好处就是只需要收集病人的粪便样品就可以检测。所以这个场景微型机器人不用进入体内,只要有很好的效果,很快就可以实现使用。他希望3-5年就可以投入使用。

第二,张立认为,微型机器人更大的作用是用在体内的靶向、定向治疗,这涉及到安全性、药效跟传统比有没提高,还有如何追踪机器人等问题。所以有很多挑战,但如果一旦可以实现,前景可以很好,因为人体的一些疾病通过现有的微创治疗是很难达到很好的治疗效果。“我们希望借助微纳机器人的技术,利用很小的机器人设备,通过外加设备的控制达到那些部位,进行一些介入式的治疗。但这个时间就会长一点,因为他是要进入人体的,要通过很多方面的认证。”

为何使用螺旋藻来制作机器人,张立表示,一个是藻类在自然界很丰富,加工很便宜;第二,可以降解,对人体没有伤害;第三是螺旋藻在降解的过程中对癌细胞有选择性的杀死作用,不会伤害普通的细胞,这样不需要去进一步做功能化。他指出,目前还在研发阶段,希望进一步了解基于螺旋藻的微型机器人用于消化道的一些研究。

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张立教授发表主题演讲

以下是张立演讲实录:

大家上午好,大家可以看到我PPT演讲的标题是《磁性医学机器人在生物医学方面的最新进展》,我今天会在会议上分享一下我们如何把微型机器人运用到生物医学当中。

当我们说到微型机器人的时候,一般可以分为三类:第一,非常出名、非常成功的医学机器人,是由一家叫达芬奇的公司完成的,它就是有模拟人胳膊的机臂。接下来就是有比较小的机器人的规格,它是以分米或者厘米规格存在,相对运用比较灵活的柔性材料,可以深入人体内的器官当中,就像是人体的图一样。但是如果想要解决微型或者微观医学问题的话,我们就需要更细微的材料和更细小的器械。比如我们需要有微型甚至纳米型的机器人,所以我们现在更多关注这一领域。

这个概念已经不陌生了,在90年代的时候,费尔曼进行了非常著名的演讲,他当时说在微型科技纳米材料当中,会引发一个新的革命,所以他的主要思想就是要让器材变得更加微型,而且能够让这些微型的器材做一些更多微创型的手术。所以现在我们要尽可能地让机器人或者设备进行微型化。

我给大家分享一个MIT的论文,他讲的是机器人方面的论文,它的机器人甚至可以模拟飞行的小小的虫子。大家可以看到,这个小小的设备,就像是一个蚊子一样,甚至比圆珠笔的笔心还要小。那个时候很多人并不知道怎么做微型设备,我们想的是如何把传感器和微型执行器整合在一起,而且以微型的形式生产出来。

但是很多尝试都失败了,直到最近几年,人们开始意识到一些飞行的机器人和机臂等等。哈佛大学也发布了一篇论文,但是我们都知道,要做到这些微型机器人的话,我们必须要解决一系列问题,比如供电,它可以把微型板和太阳能结合在一起,可以源源不断提供能量,这个设备还包括了一些传感器单元等等。

我刚刚说了那么多,我就可以给大家说一下科学机器人其实是有很多挑战的,大家可以看到一些权威的论文,我们面临着许许多多的挑战。从研发新的材料到供电,再到混合动力,再到医学机器人等等,我们想要做的就是应对这些挑战。这样可以让我们更好地生产微型机器人,并且把它们运用到生物医学当中。

现在我们主要是把关注点放在微型机器在确诊和治疗方面。因此,我们分成两步,第一个是确诊,第二个就是治疗。

大家可以知道,在我们看到的这个屏幕上,你可以看到上面有一个微型的机器平台,然后你可以轻易地进行操作,把这些磁性的机器人结合在一起,我们就可以应用这个系统,这个系统可以让我们快速地检测到病毒和细菌,这就是我们当下尝试在做的。

如果我们要确诊什么样的病毒或者细菌,我可以跟大家说一下,当我们跟香港中文大学的一些医学教授进行研究的时候,我们就发现可以检测许多比较高难度的细菌。我们会发现这个病毒入侵的时候,我们体内的机能会进行改变。

大家可以看到,上面显示了这个新型病毒入侵体内的时候,我们身体内部会有一定的变化,然后可能会有一定的副作用还有并发症,甚至可能会引发肿瘤。

在过去10年,对于一些老年病人来说,这个发病率还有感染率是会不断上升。我们可以看到曲线图前面显示的是12年前,发病率是相对比较稳定的,但是过去几年,它是呈直线型速度不断上升,超过40%的病人可能会因为这个病毒而发病或者感染。所以当下就是当病人感染上这种细菌的时候,我们如何快速确诊出来。

我们看到当下有不同的确诊方法,但是每种确诊方法都有自己的缺陷,比如它需要很长的时间、敏感度不高、成本非常昂贵。这个简介告诉大家我们在实验室当中如何做确诊,主要是两方面:一是用来检测毒性,二是用来检测病菌和细菌。大家可以看到这里有两大分类。

当下比较流行的就是GDH,用了GDH的话,我们可以确诊或者检测出这些病菌,而且成本非常低,但是我们知道它的选择性比较低。而A类也就是毒性的检测,它的选择性是相对比较高的。我们要用成本较低的GDH来做确诊,然后我们希望能够得到一些阳性的诊断,这样就可以进行下一步治疗。但有一个问题,就是它会耗时比较长,耗时长的话它的成本就会非常高。医生告诉我们,在确诊当中,为了要提高检测的准确率,为了看到这个病人是否感染上病毒,他们采取的就是经过GDH的检测,然后是PCR的检测,他们主要使用这两种方法。

通过微型机器人,我们可以极大地提高确诊的灵敏度。大家可以看到屏幕上的这些数据的感知能力可以达到1.73ng/mL,而它的确诊时间非常短,在不到15分钟时间里面,我们就可以知道病人是否感染上了病毒,这几乎是一步就可以完成的过程。

大家可以看到,这种菌类在中国东北部尤其吉林省非常普遍,我们让表面进行功能化。然后让他可以显示出红色的荧光点。这是一个孢子,我用光子的点做成红色的点,用电磁场来做就能控制微小机器人的移动,然后才能找出病症的地位,最终可以看到病灶的曲线。

这是我们能够做的,我们还能展示出,如果我们进一步运用这种微小机器人在病人身上,我们这里有一些纳米的涂层,还有其他的涂层。首先我们做一些简单的过程,我们把微小的机器人还有病人的样本放在显微镜上,然后对机器人进行探测。我们第一次的信号在15分钟就会关闭,在10-15分钟之内有信号,如果病人没有感染,我们的荧光信号就一直亮着,亮着就是没有,关闭了就是有。

我们发现,事实上有些分子在孢子的表面能够连接到病人的一些病灶蛋白质上面,我们叫做CROP。这就是为什么我们的荧光点是有效的,如果你有兴趣的话可以看看。

接下来我想跟你说一下我们如何运用微小机器人进行靶性地给药。我们可以用很多微小的机器人,通过复杂的环境到达靶性的地方,然后再做给药的工作。

我们的想法就是运用很多的机器人,就像蜂群一样,为什么使用蜂群的机器人?它们在大自然很常见,我们可以作为一个新的功能。比如像在大海里,一群鱼能避免鲨鱼的攻击,这就是它的功能。用这样微小的机器人有什么优势呢?如果你运用它的话,你可以增加它的影像,还可以做一个对比。因为我们有很多的一些剂,你可以进行追踪,也许你有更好适应环境的能力,你可以改变它的形状。

我们非常想运用蜂窝的机器人,但问题是我们如何控制人工智能机器人?因为它们没有大脑,如何实现集体行为,如何实现微小机器人智能化。我们一直在研究一个非常简单的东西,我们运用一些纳米材料,它非常小,我们也用非常简单的电磁设备来实现蜂窝机器人的给药功能。可以看到,每根线都能产生电流,可以在任何地方产生电磁,它们都是三维的。这是我们主要的配置。

我们发现可以转动的电磁场,可以实现纳米颗粒蜂窝机器人,它们可以成为一种链,它们是独立工作的,如果你想要这些例子,进入一个非常复杂的通道,这是非常具有挑战性的,它会迷失方向。但是我们的概念就是关注一个非常小的地方。在这里,你可以看到我们电磁场的力量,你看看有不同机器人,有些是一群的,有些是单个的,你可以做一些微调。

另外一种行为就是通过运用其他方式进行控制和转换。一种是旋转,一种是不旋转的电磁场,可以实现我们蜂窝机器人的功能。这是一个蜂窝机器人向性的图,我们可以用微小蜂窝机器人,在DI的水中进行重新配置。

 这是我们最近的一个文章,我们已经进行了发表,目前还在评估修正当中。我们看到蜂窝机器人可以实现很多东西,包括在整个血液里进行它的工作。我们的影像暂停在这里,我们发现在血液里这些机器人也可以进行移动。超声波也可以进行实时追踪,因为我们的灯光在非常浅的阴影进行移动。在这里你可以看到它是一个稀释的血液,在这个领域有很多红细胞在这里,但是你利用整个血液的话,那就不能看到蜂窝的机器人,因为它是模糊的。你看这个,它在整个稀释血液当中,它也可以在浓缩的血液当中进行移动。你看到微型机器人在生物液体当中有很好的功能。

我们还在关注这个领域,基本上在我20分钟的演讲中,我们已经开发了一些微小的机器人,可以对我们的毒物、毒素、细胞进行迅速的检测,我们还有蜂窝型的微小机器人,可以在血液里面进行游动和诊断,可以运用超声波,也可以在生物流体进行追踪。这就是我今天的演讲。