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辽宁日报(2012.03.23):纳米机器人游走人体治顽疾
2012-03-26     | 【】【打印】【关闭

看过科幻电影《神奇旅程》的人应该对迷你普罗透斯船非常熟悉,它可以处理人体大脑的血凝块。如今,不少科学家已经踏上了实现这个梦想的征程。不论是能够终结癌细胞的DNA机器人,还是人造肌肉,抑或是能够在体内巡回的纳米等级火箭,都在纳米尺度世界中完成现有科技无法企及的任务。纳米医疗机器人究竟有多小?如何制造和使用这样的机器人?纳米医疗机器人一旦进入人体,是否会造成伤害?纳米医疗机器人何时走入我们的生活?

纳米操作机器人已在临床崭露头角

辽宁日报:据国外媒体报道,科学家最新设计的纳米等级火箭未来的某一天有望在人体内巡游,或者执行医学任务。这非常像科幻电影《神奇旅程》中的迷你普罗透斯船,它能够处理一位患病俄罗斯科学家大脑中的血凝块。目前这种纳米等级火箭应该属于纳米医疗机器人的范畴吧?

刘连庆:只要有感知、驱动和控制的系统,都可以称作机器人。你提到的纳米等级火箭可以感知血凝块,可以从其他地方移动到附近,而且这种移动以及后续处理都需要控制,所以属于机器人范畴。至于纳米机器人,国际机器人学术界普遍认为,只要有一个尺度能够达到纳米级别,这种机器人就可以称为纳米机器人。例如,从体积上讲,一个机器人的长和宽数值都很大,但高度却达到了纳米级别,这样的机器人就可以称为纳米机器人。

辽宁日报:一直认为纳米机器人一定非常小,原来不是这样啊。

刘连庆:最开始的定义比较严格,具体的数值是0.1-100纳米之间吧。

辽宁日报:除了纳米等级火箭,还有什么样的纳米医疗机器人?

刘连庆:在机器人领域,我们将纳米机器人分为两类:一类是纳米操作机器人,纳米操作机器人的本体可能远远超过纳米等级,但它能操作的物体非常小,就是操控能力达到了纳米尺度,比如搬动一个原子、分子,也就是说机器人很大,但是它能够操作的精度非常高;另外一个是体积达到纳米级别的机器人,也就是我们开始所说的纳米机器人。

辽宁日报:这种纳米操作机器人体积较大,与我们想象中的纳米机器人相差甚远。

刘连庆:“纳米技术”一词由来已久。 1959年,诺贝尔物理奖获得者理查德·费曼在一次题目为 《底层有很大的空间》的演讲中提出了“纳米技术”一词。他认为人类将来有可能建造一种分子大小的微型机器,可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件,在非常细小的空间里构建物质,这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

我们可以看出,理查德·费曼教授所提出的纳米技术与纳米操作机器人的意义更为相关,重在操作、控制和加工环节。当然,有了纳米操作机器人就更容易制造出尺度非常微小的纳米机器人,纳米机器人其实就是费曼教授前面所提微型机器的一种。如今,科学界对这两方面都非常关注,在医疗方面都有所应用。

辽宁日报:这些纳米机器人在医疗方面都有哪些非同凡响的作用?

刘连庆:我们分别举例来说明。

纳米操作机器人可以对细胞表面的蛋白进行感知和“手术”。比如,某些癌细胞表面存在一些特定的抗原,这些抗原可以引起后续的不良生物反应,利用纳米操作机器人可以将这些抗原移除掉。目前,医院可以使用纳米操作机器人来感知病人癌细胞上抗原的不同,进而实现个性化的治疗。

通常所说的纳米机器人目前还没有真正进入临床使用,基本上处于研发的前期。我了解到,我国有一种胶囊形的机器人已经开始使用,它可以沿着胃肠道行进,并对胃肠道摄像,以替代胃镜,但这种机器人并没有达到纳米级别,只是较其他机器人小一些,所以应该不能算作纳米机器人。

辽宁日报:也就是说现有的机器人可以做一些检查身体的工作,却没有达到直接治疗患者的技术水平?

刘连庆:据我所知,目前还没有可以直接进入人体血液进行治疗的纳米机器人。不过,我知道一种与纳米科技相关的治疗方式发展较快,处于动物实验的阶段。它使用一个外界磁场和许多磁性纳米颗粒,在治疗癌症如肝癌时,把治疗肝癌的药物裹在磁性纳米颗粒上,利用外界磁场来驱动磁性纳米颗粒,将其集中在肝脏附近区域,由此来达到定点释药的目的。我们知道通过肠道吃药后,药物随着血液循环到达全身各处,在没有癌细胞的地方,也会出现这些药物,这种利用磁场进行局部治疗的方式无疑能够提升药物的作用效果。

还有一种是不裹药物的,比如将金属纳米颗粒集中在病发部位,通过微波技术加热金属纳米颗粒,也能达到癌细胞定点杀伤的目的。

这种方法在外界不仅需要有磁装置来配合,还需要X射线装置来观察控制,整个系统具有感知、驱动和控制的能力,可以称为机器人化系统,部分技术属于纳米机器人范畴。

人体免疫系统会不会排斥纳米机器人

辽宁日报:我们都说“是药三分毒”,治疗癌症的药物更会殃及不少完好的细胞。这种治疗方式为我们摆脱了这一顾虑,但是,我们不禁又产生怀疑,这种治疗方法中,纳米颗粒进入人体后,如何排除?

刘连庆:现在很多人也都在怀疑这些纳米颗粒到底去了哪里,有的人认为已经排出体外,有的人认为没有。当颗粒小到纳米级别的时候,它可以进入细胞,但是最终会到达哪儿,谁也说不清楚。有研究者声称,在后期检测时并没有发现这些纳米颗粒,但是不少人也对现有的检测技术提出怀疑。此外,这些纳米颗粒到底有没有毒,也是存在争议的。

这一难题是有出路的,现在有研究人员从植物中发现了一种天然有机可降解纳米颗粒,初步确认无毒,也许这正是这种纳米机器人系统发展障碍的解决方案。

辽宁日报:纳米医疗机器人进入人体会不会给人体带来其他伤害?

刘连庆:这一问题存在很大的争议。人体的免疫系统,对于任何外来物体的侵入都会进行攻击。举个简单的例子,手上扎了一根刺,本质上讲,皮被蹭掉一块都问题不大,但即使是一个非常小的刺不拔出来,它都有可能溃脓,而且越溃越大,这是因为刺对于手上的皮肤来说就是一个外界侵入体,免疫细胞会对其进行攻击,从而消灭外来侵入体。试想,我们将纳米机器人植入人体,人体的免疫系统一定会对这一外界侵入体做出大量的反应,极可能导致一些不良后果,所以人们不敢轻易将纳米机器人注入血管。像我们前面所说的胶囊机器人,是通过食管、胃进入人体,后由肛肠排出,这种方式在这方面的问题还不太严重,因为胃每天都要接收外来物,有一定的天然适应性。

面对人体的免疫系统,如果人类可以使用一种纯天然的、与人体生理兼容的材料(如人体蛋白)来制造纳米机器人,相信未来纳米机器人进入血管的可能性就非常大了。

辽宁日报:纳米医疗机器人如何解决燃料问题?

刘连庆:对于未来纳米机器人能源问题的解决有两种设想:

首先,纳米机器人太小了,在能源方面几乎不能采用携带电池的方式,所以很多人认为应该采用外磁场驱动的方式。

其次,有不少人还有一个极端的想法,就是将细菌与纳米机器人绑在一起,推动纳米机器人的前进。但是,我们知道细菌进入人体后,人体的免疫系统会将其消灭,或者会造成人体感染细菌。

除非可以从人的系统当中发现某种东西可以做驱动,或者对人体的生命机理更加熟悉后,使用人体自身的能量作为驱动。但是这些方法在可控性上,都会存在一些问题,或许在以人体自身能量为主的基础上,再加上外磁场的干预是更好的解决方案。

纳米级零部件太难造小机床成大障碍

辽宁日报:目前,纳米尺度体积的纳米医疗机器人是否已经制造出来?

刘连庆:这就是一个“鸡生蛋,蛋生鸡”的问题要想制作纳米机器人,就必须要有纳米等级的零部件,但是纳米等级的零部件必须由纳米等级的机床来制造,而机床也需要更小的零部件来组装完成,所以让人无从下手。

理查德·费曼教授曾经提出了解决之道,叫做费曼挑战。他的原理很简单,就是使用大机床来制造小机床,再用小机床制造更小的机床,依此类推,总有一日能够达到纳米级别。当时很多人都参加了他的这一挑战,但是非常遗憾地发现,越往小发展,机床的制造越困难,如今这方面的报道越来越少,费曼挑战成为了真正的挑战。

辽宁日报:纳米医疗机器人的发展前景如何?

刘连庆:这个前景是非常广阔的。美国、欧盟、以色列、加拿大、中国等都在研究纳米机器人,但是充满了困难和挑战,不论是感知、驱动,还是控制,都有许多现有技术解决不了的地方,期待发展。

辽宁日报:您是否可以预测,纳米医疗机器人何时能够真正进入临床使用?

刘连庆:纳米操作机器人现已走入医疗队伍,纳米机器人系统处于动物实验阶段,相信在10年后可以投入临床使用。但是,能够进入血管按照人们意志工作的纳米机器人需要的时间则可能会久一些。 本报记者/张晓丽

专家档案

刘连庆 博士,研究员,中国科学院沈阳自动化研究所机器人学研究室副主任。主要研究领域为:纳米机器人学、微纳传感技术、微纳生物医学。参与组建了我国第一套纳米操作机器人系统,先后获得中国科学院院长奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、IEEE机器人与自动化学会青年科学家奖等荣誉和奖励。

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