香港中文大學副教授張立:磁性醫學機器人在生物醫學方面的兩個應用前景

· 2019-11-04 21:54

為何使用螺旋藻來制作機器人,張立表示,一個是藻類在自然界很豐富,加工很便宜;第二,可以降解,對人體沒有傷害;第三是螺旋藻在降解的過程中對癌細胞有選擇性的殺死作用,不會傷害普通的細胞,這樣不需要去進一步做功能化。

11月1-2日,由中國國際科技交流中心、深圳市科學技術協會、深圳產學研合作促進會聯合主辦的“2019大灣區機器人與人工智能大會”在深圳盛大舉辦,向世界傳遞超前新思維,為產業激發空前新動能。

在“IEEE傳感器理論及產業應用論壇”上,香港中文大學副教授張立發表了《磁性醫學機器人在生物醫學方面的最新進展》的主題演講,并在會后接受了創客貓的采訪。

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張立教授接受采訪

對于微納機器人在生物醫學上的應用前景,張立指出了兩個方面,一個是早期診斷,醫院是容易有感染的地方,對于醫院來說,醫生會想盡快檢測病人有沒感染細菌,但如果醫院很缺人手,通過微型機器人的話,經過15到30分鐘的時間,就可以快速檢測病人有沒被感染。這個的好處就是只需要收集病人的糞便樣品就可以檢測。所以這個場景微型機器人不用進入體內,只要有很好的效果,很快就可以實現使用。他希望3-5年就可以投入使用。

第二,張立認為,微型機器人更大的作用是用在體內的靶向、定向治療,這涉及到安全性、藥效跟傳統比有沒提高,還有如何追蹤機器人等問題。所以有很多挑戰,但如果一旦可以實現,前景可以很好,因為人體的一些疾病通過現有的微創治療是很難達到很好的治療效果。“我們希望借助微納機器人的技術,利用很小的機器人設備,通過外加設備的控制達到那些部位,進行一些介入式的治療。但這個時間就會長一點,因為他是要進入人體的,要通過很多方面的認證。”

為何使用螺旋藻來制作機器人,張立表示,一個是藻類在自然界很豐富,加工很便宜;第二,可以降解,對人體沒有傷害;第三是螺旋藻在降解的過程中對癌細胞有選擇性的殺死作用,不會傷害普通的細胞,這樣不需要去進一步做功能化。他指出,目前還在研發階段,希望進一步了解基于螺旋藻的微型機器人用于消化道的一些研究。

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張立教授發表主題演講

以下是張立演講實錄:

大家上午好,大家可以看到我PPT演講的標題是《磁性醫學機器人在生物醫學方面的最新進展》,我今天會在會議上分享一下我們如何把微型機器人運用到生物醫學當中。

當我們說到微型機器人的時候,一般可以分為三類:第一,非常出名、非常成功的醫學機器人,是由一家叫達芬奇的公司完成的,它就是有模擬人胳膊的機臂。接下來就是有比較小的機器人的規格,它是以分米或者厘米規格存在,相對運用比較靈活的柔性材料,可以深入人體內的器官當中,就像是人體的圖一樣。但是如果想要解決微型或者微觀醫學問題的話,我們就需要更細微的材料和更細小的器械。比如我們需要有微型甚至納米型的機器人,所以我們現在更多關注這一領域。

這個概念已經不陌生了,在90年代的時候,費爾曼進行了非常著名的演講,他當時說在微型科技納米材料當中,會引發一個新的革命,所以他的主要思想就是要讓器材變得更加微型,而且能夠讓這些微型的器材做一些更多微創型的手術。所以現在我們要盡可能地讓機器人或者設備進行微型化。

我給大家分享一個MIT的論文,他講的是機器人方面的論文,它的機器人甚至可以模擬飛行的小小的蟲子。大家可以看到,這個小小的設備,就像是一個蚊子一樣,甚至比圓珠筆的筆心還要小。那個時候很多人并不知道怎么做微型設備,我們想的是如何把傳感器和微型執行器整合在一起,而且以微型的形式生產出來。

但是很多嘗試都失敗了,直到最近幾年,人們開始意識到一些飛行的機器人和機臂等等。哈佛大學也發布了一篇論文,但是我們都知道,要做到這些微型機器人的話,我們必須要解決一系列問題,比如供電,它可以把微型板和太陽能結合在一起,可以源源不斷提供能量,這個設備還包括了一些傳感器單元等等。

我剛剛說了那么多,我就可以給大家說一下科學機器人其實是有很多挑戰的,大家可以看到一些權威的論文,我們面臨著許許多多的挑戰。從研發新的材料到供電,再到混合動力,再到醫學機器人等等,我們想要做的就是應對這些挑戰。這樣可以讓我們更好地生產微型機器人,并且把它們運用到生物醫學當中。

現在我們主要是把關注點放在微型機器在確診和治療方面。因此,我們分成兩步,第一個是確診,第二個就是治療。

大家可以知道,在我們看到的這個屏幕上,你可以看到上面有一個微型的機器平臺,然后你可以輕易地進行操作,把這些磁性的機器人結合在一起,我們就可以應用這個系統,這個系統可以讓我們快速地檢測到病毒和細菌,這就是我們當下嘗試在做的。

如果我們要確診什么樣的病毒或者細菌,我可以跟大家說一下,當我們跟香港中文大學的一些醫學教授進行研究的時候,我們就發現可以檢測許多比較高難度的細菌。我們會發現這個病毒入侵的時候,我們體內的機能會進行改變。

大家可以看到,上面顯示了這個新型病毒入侵體內的時候,我們身體內部會有一定的變化,然后可能會有一定的副作用還有并發癥,甚至可能會引發腫瘤。

在過去10年,對于一些老年病人來說,這個發病率還有感染率是會不斷上升。我們可以看到曲線圖前面顯示的是12年前,發病率是相對比較穩定的,但是過去幾年,它是呈直線型速度不斷上升,超過40%的病人可能會因為這個病毒而發病或者感染。所以當下就是當病人感染上這種細菌的時候,我們如何快速確診出來。

我們看到當下有不同的確診方法,但是每種確診方法都有自己的缺陷,比如它需要很長的時間、敏感度不高、成本非常昂貴。這個簡介告訴大家我們在實驗室當中如何做確診,主要是兩方面:一是用來檢測毒性,二是用來檢測病菌和細菌。大家可以看到這里有兩大分類。

當下比較流行的就是GDH,用了GDH的話,我們可以確診或者檢測出這些病菌,而且成本非常低,但是我們知道它的選擇性比較低。而A類也就是毒性的檢測,它的選擇性是相對比較高的。我們要用成本較低的GDH來做確診,然后我們希望能夠得到一些陽性的診斷,這樣就可以進行下一步治療。但有一個問題,就是它會耗時比較長,耗時長的話它的成本就會非常高。醫生告訴我們,在確診當中,為了要提高檢測的準確率,為了看到這個病人是否感染上病毒,他們采取的就是經過GDH的檢測,然后是PCR的檢測,他們主要使用這兩種方法。

通過微型機器人,我們可以極大地提高確診的靈敏度。大家可以看到屏幕上的這些數據的感知能力可以達到1.73ng/mL,而它的確診時間非常短,在不到15分鐘時間里面,我們就可以知道病人是否感染上了病毒,這幾乎是一步就可以完成的過程。

大家可以看到,這種菌類在中國東北部尤其吉林省非常普遍,我們讓表面進行功能化。然后讓他可以顯示出紅色的熒光點。這是一個孢子,我用光子的點做成紅色的點,用電磁場來做就能控制微小機器人的移動,然后才能找出病癥的地位,最終可以看到病灶的曲線。

這是我們能夠做的,我們還能展示出,如果我們進一步運用這種微小機器人在病人身上,我們這里有一些納米的涂層,還有其他的涂層。首先我們做一些簡單的過程,我們把微小的機器人還有病人的樣本放在顯微鏡上,然后對機器人進行探測。我們第一次的信號在15分鐘就會關閉,在10-15分鐘之內有信號,如果病人沒有感染,我們的熒光信號就一直亮著,亮著就是沒有,關閉了就是有。

我們發現,事實上有些分子在孢子的表面能夠連接到病人的一些病灶蛋白質上面,我們叫做CROP。這就是為什么我們的熒光點是有效的,如果你有興趣的話可以看看。

接下來我想跟你說一下我們如何運用微小機器人進行靶性地給藥。我們可以用很多微小的機器人,通過復雜的環境到達靶性的地方,然后再做給藥的工作。

我們的想法就是運用很多的機器人,就像蜂群一樣,為什么使用蜂群的機器人?它們在大自然很常見,我們可以作為一個新的功能。比如像在大海里,一群魚能避免鯊魚的攻擊,這就是它的功能。用這樣微小的機器人有什么優勢呢?如果你運用它的話,你可以增加它的影像,還可以做一個對比。因為我們有很多的一些劑,你可以進行追蹤,也許你有更好適應環境的能力,你可以改變它的形狀。

我們非常想運用蜂窩的機器人,但問題是我們如何控制人工智能機器人?因為它們沒有大腦,如何實現集體行為,如何實現微小機器人智能化。我們一直在研究一個非常簡單的東西,我們運用一些納米材料,它非常小,我們也用非常簡單的電磁設備來實現蜂窩機器人的給藥功能。可以看到,每根線都能產生電流,可以在任何地方產生電磁,它們都是三維的。這是我們主要的配置。

我們發現可以轉動的電磁場,可以實現納米顆粒蜂窩機器人,它們可以成為一種鏈,它們是獨立工作的,如果你想要這些例子,進入一個非常復雜的通道,這是非常具有挑戰性的,它會迷失方向。但是我們的概念就是關注一個非常小的地方。在這里,你可以看到我們電磁場的力量,你看看有不同機器人,有些是一群的,有些是單個的,你可以做一些微調。

另外一種行為就是通過運用其他方式進行控制和轉換。一種是旋轉,一種是不旋轉的電磁場,可以實現我們蜂窩機器人的功能。這是一個蜂窩機器人向性的圖,我們可以用微小蜂窩機器人,在DI的水中進行重新配置。

 這是我們最近的一個文章,我們已經進行了發表,目前還在評估修正當中。我們看到蜂窩機器人可以實現很多東西,包括在整個血液里進行它的工作。我們的影像暫停在這里,我們發現在血液里這些機器人也可以進行移動。超聲波也可以進行實時追蹤,因為我們的燈光在非常淺的陰影進行移動。在這里你可以看到它是一個稀釋的血液,在這個領域有很多紅細胞在這里,但是你利用整個血液的話,那就不能看到蜂窩的機器人,因為它是模糊的。你看這個,它在整個稀釋血液當中,它也可以在濃縮的血液當中進行移動。你看到微型機器人在生物液體當中有很好的功能。

我們還在關注這個領域,基本上在我20分鐘的演講中,我們已經開發了一些微小的機器人,可以對我們的毒物、毒素、細胞進行迅速的檢測,我們還有蜂窩型的微小機器人,可以在血液里面進行游動和診斷,可以運用超聲波,也可以在生物流體進行追蹤。這就是我今天的演講。

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