7月7日，中國盤算機學(xué)會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)與噴鼻港中文年夜學(xué)（深圳）承辦的第二屆CCF-GAIR全球人工智能與機械人峰會在深圳如期揭幕。在年夜會第三天的醫(yī)療人工智能專場，噴鼻港年夜學(xué)講席傳授、尖端技巧研討所所長、IEEE RAS候任主席席寧做了年夜會申報。
席寧傳授以為，人類關(guān)于性命的懂得曾經(jīng)達到份子和細胞的標(biāo)準，藥物研發(fā)和醫(yī)治手腕的立異，須要在份子和細胞標(biāo)準長進行丈量和操作的辦法——微納機械人。他進而例舉了微納機械人用于新藥開辟與診斷醫(yī)治的多個例子。他以為，微納機械人擴大了人的才能，讓人們對天然的摸索深刻到了納米標(biāo)準，將為人類的各個方面帶來推翻性的影響。
以下內(nèi)容由理自席寧傳授的申報所得，有刪減：
明天我想引見下微納機械人在醫(yī)藥和新藥開辟的運用。
我們曉得醫(yī)療重要是診斷和醫(yī)治兩個方面。在工程的角度，診斷是對人體的各類異常景象停止丈量。醫(yī)治，在工程的角度是轉(zhuǎn)變?nèi)梭w細胞現(xiàn)有的狀況。而機械人的兩個主要功效：傳感（Sensing）和操作（Manipulation）正好能在診斷和醫(yī)治中施展主要感化。
我們起首回想人類和疾病做奮斗的汗青，開端的時刻，診斷是看病人的氣色好欠好，西醫(yī)看舌苔、看氣色、神色好欠好。今后有了X光技巧，可以看到身材外面，看到肺等器官，從器官的形狀來診斷病人的身材狀況。如今醫(yī)學(xué)成長到了細胞、份子階段，醫(yī)療診斷也一樣。我們須要把診斷技巧降到微米、納米的標(biāo)準，在細胞份子的標(biāo)準停止Sensing，供給新的診斷方法。
醫(yī)治也是一樣，開端是器官的角度，針對器官停止操作，以中醫(yī)為例，器官的修補和切除都在這個標(biāo)準。跟著份子生物學(xué)的成長，手術(shù)開端在細胞條理、DNA份子層面上展開，而DNA份子是掌握細胞發(fā)展發(fā)育的焦點暗碼，而細胞是構(gòu)成器官組織的根本單位，將從更基本的緣由上處理人類的疾病成績。同時，跟著標(biāo)準的下降就須要更小的標(biāo)準上的Sensing和Manipulation辦法。
新藥開辟為何須要這個？
最傳統(tǒng)的中藥，是人類經(jīng)由過程幾百上千年的積聚，經(jīng)由過程賡續(xù)的實驗總結(jié)出來的，是時光積聚的成果。傳統(tǒng)的新藥開辟則是以靶點為基本的新藥開辟，即基于旌旗燈號通路轉(zhuǎn)導(dǎo)（Signaling pathway ）的新藥研發(fā)如許周全看到疾病和各類身分之間的關(guān)系，對反作用斟酌比擬周全，這個條理停止新藥開辟須要新的手腕和新的技巧，即份子和細胞的條理上的Sensing和Manipulation，這同時為機械人的成長供給了新的運用范疇。
藥物開辟是人類和疾病做奮斗里很主要的一部門。如今人類面對很年夜的挑釁，是新藥開辟的本錢愈來愈高，開辟一個藥物須要10-15億美元，消耗近10年時光。如今新藥開辟的投資每一年賡續(xù)增加，但藥的數(shù)目根本上是持平的，解釋新藥涌現(xiàn)的很少，本錢賡續(xù)進步投入與產(chǎn)出的差距愈來愈年夜。
與此同時，今朝新的疾病愈來愈多，幾十年前許多病沒有據(jù)說過，但如今涌現(xiàn)許多新病，藥的數(shù)目沒有增長，本錢愈來愈高。這是人類和疾病做奮斗很年夜的成績。處理這個成績須要開拓新的新藥開辟的門路，必需應(yīng)用新技巧能力轉(zhuǎn)變近況。
超限機械人
機械人和主動化技巧能不克不及贊助我們處理這個成績？
人工智能、機械人是很熱的范疇，在制作行業(yè)和生涯里起到很年夜的感化，并且在新藥和醫(yī)療診斷和醫(yī)治方面，異樣也會起到很年夜的感化。
機械人最開端是取代人（機械換人），用來做人可以做然則不肯意做的工作，好比高反復(fù)性的休息，但跟著機械人技巧的成長，機械人曾經(jīng)從簡略的取代人釀成了擴大人，不只僅是取代人做人不肯意做的事，同時做人做不了的事。好比，機械人和古代信息技巧、收集技巧聯(lián)合起來，機械人能在很遠的處所停止操作，可以贊助人戰(zhàn)勝間隔帶來的艱苦。
機械人在很小的標(biāo)準里停止操作和丈量，意思是它可以戰(zhàn)勝標(biāo)準給人類帶來的艱苦，在人看不見、摸不著的情況中停止操作和丈量。如許的話，它在醫(yī)療診斷和新藥開辟外面就有許多運用。同機會器人還可以進入人很難進入的情況，好比心理情況，進入人的身材，贊助人戰(zhàn)勝情況給人帶來的艱苦。標(biāo)準太小、太遠、情況太特別，人就做不了，但有了機械人的贊助，我們便可以戰(zhàn)勝這些艱苦。機械人贊助我們超出了人的才能極限，跨越了標(biāo)準、間隔、情況給人帶來的限制。
這就是超限機械人，讓機械人擴大人的限制，做人做不了的工作。這類技巧在新藥開辟和醫(yī)療診斷外面有很年夜的運用。
傳統(tǒng)概念中，機械人在制作業(yè)，好比汽車制作業(yè)，起到很年夜的感化。我們?nèi)缃裣朐鯓訕影阎鲃踊瘷C械人在汽車制作、臨盆制作外面的技巧，移植到新藥開辟、移植到醫(yī)療診斷和醫(yī)治，戰(zhàn)勝我適才說的新藥開辟、醫(yī)療診斷中人類面對的挑釁。
潛伏的經(jīng)濟價值長短常年夜的。依據(jù)統(tǒng)計，汽車工業(yè)的產(chǎn)值是7280億美元，外面有5080億是由主動化和機械人的應(yīng)用所帶來的價值。也就是說，沒無機器人和主動化，就不會有汽車家當(dāng)?shù)拿魈欤簿筒粫腥祟惷魈焖哂械奈镔Y文明。
而全球制藥工業(yè)比汽車工業(yè)還要年夜，并且如今新藥開辟進程中主動化水平異常低，汽車制作中機械人曾經(jīng)年夜范圍應(yīng)用，但新藥研發(fā)多還在試驗室里依附手工操作完成，主動化水平異常低。依照經(jīng)濟學(xué)類似的統(tǒng)計道理，假如我們把機械人和主動化用于新藥開辟，潛伏的經(jīng)濟價值極年夜并遠超汽車工業(yè)。
納米機械人用于新藥開辟
我們怎樣把主動化和機械人的概念用于新藥開辟呢？
我們想象，像明天的流水線一樣，傳送帶賡續(xù)把細胞送進機械人的任務(wù)空間中來，機械人把分歧的藥物放到細胞上，同時對細胞停止丈量，丈量分歧的靶點、丈量分歧藥的感化。
全部進程的主動化，要到達這個目標(biāo)有幾個癥結(jié)技巧：一是主動化輸運；二是主動化給藥和主動化丈量給藥。
這在汽車工業(yè)和制作行業(yè)都根本完成了。但最年夜的分歧是，汽車的拆卸制作，一切的零件尺寸都差不多，是構(gòu)造化的情況，一切器械都是人制作的。然則新藥開辟中，每一個細胞長的紛歧樣，它長短構(gòu)造化的（unstructured），所以從感知掌握和計劃方面，對機械人技巧提出了新的挑釁。
為了迎接挑釁，我們做了幾方面做的任務(wù)。起首機械人要有操作的手腕，我們成長了納米操作機械人，可以在納米標(biāo)準上對物體停止操作和丈量，這長短常主要的。機械人要做操作，最主要的是把看不見摸不著的器械，變得既能看到又能摸著，如許能力把藥放在特定的地位，能力丈量藥的后果。
好比，上圖中左邊顯示的是一個納米操作機械人，人用把持桿停止操作。機械人可以在外面活動，右圖上面是一個細胞，我們可以做一些手術(shù)，把某些部門切除或許放些藥物在下面。
要做到這點，要把納米標(biāo)準的情況顯示出來，如許人才網(wǎng)job.vhao.net能看見、能力停止操作。我們發(fā)明一種技巧，能高速的在納米標(biāo)準下停止成像，發(fā)生像視頻一樣的及時圖象，如許可以或許贊助操作。我們用了緊縮感知的道理，由于標(biāo)準異常小，要高速的對情況停止丈量，由于光學(xué)是看不見的，標(biāo)準太小，要用原子力顯微鏡、電子顯微鏡丈量。
上圖是一個及時的圖象，是DNA份子在液體里晃悠。我們可以及時丈量DNA份子的活動，這是很小的標(biāo)準，由于DNA份子的直徑只要1-2納米。
這是停止操控和丈量的根本的器械。有了這以后，我們便可以停止操作。
上圖右邊是一個DNA份子，白色的是納米機械人。我們讓納米機械人沿著DNA份子停止活動，堅持在DNA份子上，如許就請求地位掌握的精度在1-2納米。它的感化是，我們曉得DNA最主要的是測序，測序后可以或許對將來的疾病停止猜測。測序是對ATCG四種分歧的份子停止丈量，假如一個納米機械人沿著走，就可以很快曉得份子構(gòu)成，這是疾速對DNA停止測序的辦法。
成像很主要，但同時要停止操作。操作的時刻要在微納米標(biāo)準上要停止手術(shù)，手術(shù)請求機械人的終端履行用具有必定的剛度，而成像感知則請求終端履行器異常的柔嫩是以在操作和成像之間存在抵觸。好比一個納米級的探針，假如很小、很軟，你要推一個器械時，就會變彎推不動，這給納米標(biāo)準長進行操作帶來了很年夜的艱苦。但不克不及做得剛度很年夜，假如剛渡過年夜，摸到一個很軟的器械，會不曉得它的軟硬，招致傳感和丈量的精度下降。
我們處理這個抵觸的方法是，在探針上加了一個驅(qū)動器，經(jīng)由過程掌握驅(qū)動器能轉(zhuǎn)變探針的機械特征，使得探針的剛度可調(diào)，丈量的時刻變得很軟，很輕易丈量情況的軟硬。同時操作的時刻讓它變得很硬。
好比上圖中的納米線，年夜概僅100納米，是頭發(fā)直徑的千分之一。黑的是探針，我們加上去掌握旌旗燈號后，探針自己就變硬了，便可以推進。探針經(jīng)由過程轉(zhuǎn)變機械特征，便可以到達我們的目標(biāo)。這是微納米操作里是很主要的例子。
納米機械人用于診斷醫(yī)治
機械人相干的技巧，醫(yī)療診斷醫(yī)治外面有甚么運用？
好比醫(yī)治皮膚病中的牛皮癬。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卵白質(zhì)Desmosome。因為一些免疫疾病，人領(lǐng)會發(fā)生一種抗體（一種卵白質(zhì)），它會進擊并損壞Desmosome，在人體外面構(gòu)成許多水泡，并且會爛。其時全部進程的機制其實不清晰，有人猜想是抗體的緣由，還有人猜想能夠是旌旗燈號傳導(dǎo)的進程招致的。
由于情況限制的緣由，研討起來異常艱苦。我們的方法是，用納米機械人機械的把Desmosome切開?；蚴怯眉{米機械人把抗體直接放到Desmosome上，看會不會損壞。經(jīng)由過程機械切割和抗體感化的比較，便可以實驗出來二者之間的異同進而為肯定這類疾病的發(fā)生緣由供給贊助。
最初經(jīng)由過程我們的研討證實，這類皮膚病不是機械感化所發(fā)生的，而是旌旗燈號傳導(dǎo)所惹起的，是以對象和技巧的晉升讓本來很難研討的成績變得輕易。
我們還可以用這個辦法研討干細胞的分化。干細胞很主要，但猜測它甚么時刻分化，在甚么前提下分化，對分化的狀況停止丈量，長短常難的事。因為有納米機械人，可以對一些干細胞的機械特征停止及時丈量，猜測出來分化的狀況。
另外一個運用納米機械人在醫(yī)治范疇比擬勝利的例子，是淋巴瘤。淋巴瘤醫(yī)治有一種殊效藥——美羅華，這是一種靶向藥物并在臨床上獲得了極年夜勝利運用。然則卻存在耐藥性差別成績，即這類藥物對有的人有用，有的人沒效。該藥物價錢昂貴，醫(yī)治本錢高，假如不克不及事后懂得醫(yī)治后果，不只糟蹋金錢同時延誤了名貴的醫(yī)治機會。所以須要一種辦法，在醫(yī)治之前猜測醫(yī)治后果怎樣樣。
我們用納米機械人掏出病人身上的癌細胞，發(fā)明只要當(dāng)癌細胞靶點與藥物聯(lián)合力到達必定水平時，才會有感化。經(jīng)由過程這個研討，可以猜測采取靶點醫(yī)治今后的后果會是甚么樣，這在臨床上的意義長短常年夜的。
還有一個例子是研討細胞黏協(xié)力。細胞黏協(xié)力的年夜小直接影響傷口的愈合。它還有一個很主要的感化是用于假肢范疇。如今有一種勝利的辦法，是把鋼管插到骨頭里，讓假肢的后果跟真人一樣。但外面有一個很年夜的成績，即鋼管插到腿里，皮肉要長在鋼管里面，但常常會發(fā)生裂縫，會讓細菌惹起沾染，時光長了今后會惹起骨頭沾染，招致最初照樣要取失落假肢。人們希冀對細胞的黏協(xié)力展開研討，特殊是細胞和假肢之間的黏協(xié)力，懂得個中的機制后，便可以經(jīng)由過程一系列的方法讓它黏合的很好，避免沾染。
這很難。好比細胞的黏協(xié)力怎樣丈量？經(jīng)由過程納米機械人開辟了一個方法，可以及時丈量，從而研討分歧的藥物對黏協(xié)力的影響。
還有一個運用是對離子通道離子電流的丈量。及時丈量離子通道的電流，關(guān)于懂得細胞的心理功效和醫(yī)治許多疾病有很主要的意義。然則丈量很難，之前傳統(tǒng)的辦法叫膜片鉗，它是一種技巧活，要練許多年能力測。如今用納米機械人技巧能很精確的定位，很精確的停止丈量，將本來很龐雜的進程變得很簡略了，能高速的停止丈量。
人的耳朵里有內(nèi)耳細胞，內(nèi)耳細胞外面有許多纖毛，就像天線一樣。當(dāng)空氣中的振動傳導(dǎo)耳蝸后，會惹起纖毛的曲折形變，進而翻開特定的離子通道，發(fā)生旌旗燈號并讓人聽到聲響。因為離子通道的成績，會讓許多人掉聰。所以要研討一種藥物轉(zhuǎn)變這類景象，但研討藥物的進程中要有方法及時丈量，看藥物能不克不及讓離子通道正常。
但這類丈量很難，由于要在細胞上離子通道停止丈量，同時還要發(fā)生機械安慰動，使得纖毛發(fā)生曲折形變，這須要在很小的標(biāo)準長進行準確操作，異常艱苦。應(yīng)用納米機械人，我們不只可以對這些纖毛停止超微超準確的機械安慰，同時還能對離子通道停止丈量，如許就經(jīng)由過程試分歧的藥物，懂得其醫(yī)治后果。
總結(jié)來講，人類對性命的認知曾經(jīng)到了份子和細胞標(biāo)準。是以不管是藥物開辟照樣醫(yī)治手腕的立異，都須要在份子和細胞標(biāo)準上的丈量和操作的對象，進而把傳統(tǒng)的手術(shù)從器官的程度減少到份子和細胞的程度，如許贊助我們停止醫(yī)療診斷，贊助我們停止新藥開辟，從而發(fā)生許多新的診斷和醫(yī)治的辦法，來應(yīng)對人類面臨的疾病。
