加拿大多倫多大學教授孫鈺：微納機器人技術與應用前沿

　　新浪科技訊 10月24日消息，2016世界機器人論壇21日開始舉行，大會邀請國內外機器人領域知名學者、專家圍繞「共創共享共贏，開啟智能時代」這一主題進行交流研討。加拿大多倫多大學教授、加拿大工程院院士、哈爾濱工業大學機器人集團中央研究院首席科學家孫鈺，演講題目為《微納機器人技術與應用前沿》，他表示，醫療領域、製造領域微納機器人能夠實現高的精確解析度，同時還可以實現納米級別的運動解析度。微納機器人可以給診斷帶來更好的幫助，通過搜集數據，能夠幫助在形態學的研究方面得出更加可靠的結論；通過微操控的形式對藥物進行測試，能夠讓老葯有一些新的用法。他還強調，目前微納機器人取得了巨大的進展，包括用在自動化控制方面，影響到了很多的學科，並且應用到了很多社會的領域，包括外科、診斷、個性化醫療和製造，包括高端製造和納米製造等等。

　　以下為演講實錄：

　　各位早上好，今天上午我要和大家分享的是過去幾年當中微納機器人當中出現了什麼新的趨勢，而且有了微納機器人我們在未來可以怎樣進行應用。

　　首先從製造業開始，這裡視頻顯示的是機器人在搬運不同的物體，過去機器人取得了很大的進步，問題是如果說我們要變得更小更微型的話，到了納米級別會發生什麼事情？我在瑞士的蘇黎士工作過一段時間，那些手錶的精密製造當中有些頂級的手錶，也有一些精密的儀器是用手工來打造的。這個網站上面有一張照片，如果仔細看的話，它是用機器人在製造鐘錶的零件。實際上這個機器人是在幫忙轉運這些零件，而不是在組裝一個手錶。所以當達到納米級別的時候會發生什麼樣的情況呢？就是在一個毫米的級別，而且是十微米的層級裡面，現在把它抓起來不是特別難的，因為把它釋放是更困難的。可以看到由於它太小了，可以粘在這個抓臂的上面，所以我們把這個物體抓起來以後如何進行釋放呢？這個中間除了要考慮到重力，另外還要考慮到表面力等等。當然，重力是由表面力主導的，所以你要去看一下，它有三個臂，兩邊的是負責去抓，中間的是進行力的控制，這樣可以抓取一個細胞級別的東西，比如可以抓取癌細胞。另外我們需要去克服表面力，但是表面力也可以進行利用。這是和西雅圖的太和因特合作，使用水蒸氣的表面力進行電子器件的裝配。問題取決於你如何使用表面力，要讓它為你所用。

　　這是變色龍的腳，這裡有很多納米級別的結構，所以我們在模仿這樣的一些蜥蜴和爬行動物的腳的結構，這樣能夠讓機器人在不同的表面很好地行走。達芬奇的力量機器人是目前最為先進、最為成功的醫療機器人，並不是能夠完全利用機器人做手術，所以到了一納米的級別，我們可以給醫療機器人帶來很多技術的推動。這是MRA核磁共振的影像，你可以在任何一個醫院當中找到核磁共振的機器。這是一個非常好的影像儀器，但我們可以通過MRA的影片把它當做一個驅動器，控制一個納米級別的機器人可以進行外科手術。

　　請大家仔細地看一下，這個中間有一個黑點，就是在眼睛當中往返移動。這是蘇黎士大學做的由磁鐵控制的，就是在眼睛裡面做的眼科手術，所以完全是自主控制的，而且還能夠很好地進行精確的定位，融入了很多的功能。這是一微米級別的做眼科手術的機器人，而且完全是微創手術。和傳統機器人不一樣的是，納米的並行機器人可以進行更多的控制，除了這樣的操作臂之外還有光場、電場和磁場的情況，所以我們可以使用電場來控制這樣的一些納米的物體，也可以移動一個單一的細胞或者微小的顆粒，我們可以通過這種電磁控制納米級別所有小的微粒。這些小的控制器是3D的，而且就像我的手掌這麼大，也有直流的電機，可以實現高的精確解析度，同時還可以實現納米級別的運動解析度。

　　為什麼我們要使用這些機器人操縱手呢？這是過去幾年我們小組曾經研究過的一個項目，就是人類的精子細胞，我們可以通過這種操作手很好地進行吸取和釋放。我們有一個很小的操作手，所以我們可以根據組織篩選這些精子的質量，然後把高質量的精子篩選出來之後可以讓醫院使用。我們應該如何在管子裡面定位這樣的精子細胞呢？這是一個病人捐獻的細胞，如果大家仔細觀察的話，下面的精子被放到了卵子細胞裡面。這是我們第一次通過機器人進行這樣的生殖細胞手術，所以可以說是在微觀層面模仿了達芬奇的醫療機器人，這樣的話就可以讓所有類似的手術能夠有更高的成功率，微納系統也可以給診斷帶來更好的幫助。

　　這裡我展示的例子是膀胱癌，這種癌症不是最為致命的癌症，但是有很高的複發率，複發率達到了百分之七十，所以要經常進行檢測。每次可以在尿液當中發現一百五十個這樣的細胞，其中二十到三十個細胞的形態上會和癌細胞形成混淆，所以目前癌症無創檢測完全可以依賴細胞形態的觀測，可以使用的尿液檢測通過形態學和機器人細胞進行機械電子指標的，增強目前膀胱癌無創檢測的準確度。但是由於形態學的觀測還不能讓我們感覺到有足夠精度、足夠可靠的結論，所以通過這樣的學習，微納級別可以給我們的形態學觀察提供更多的線索，也會給我們提供更多的信息，比如這個電子指標和機械指標，這裡說的是它的黏性、彈性和軟硬程度等等。所以我使用的是大數據的方式，這樣的話可以讓我們的機器人搜集這樣的一些數據，如果沒有數據的話，不論你的演算法多麼先進，你是很難得出很好的結論的。我們可以通過微納機器人搜集數據，能夠幫助我們在形態學的研究方面得出更加可靠的結論。基於這些資料可以建立起一個很大的資料庫和資料庫，然後讓你為病人做出更加準確的檢查。

　　這是尿液的細胞，我們在這個細胞上施加非常精確的壓力，然後看一下這個細胞的反應。這裡有兩個柱狀圖，左邊的是正常的細胞，右邊的是病人的癌細胞。我們進行對比之後可以看到，癌細胞要比正常的細胞軟一倍，所以可以通過大量的大數據計算讓微納機器人採集的數據對檢查有所幫助。

　　藥物測試這樣的機器人能夠做什麼貢獻呢？我們之前說到了癌症，但事實上癌症只是人類致死疾病之一，導致人類死亡率最高的疾病是心臟病。很多時候導致心臟猝死的是細胞和血管裡面間歇通道的功能異常，如果說你還沒有聽說過這樣的術語，你可以看一下左邊的兩個心臟細胞，中間是有一個黃色的通道，其中有一個物質從通道裡面互相進行溝通，所以我們就是要使用機器人技術實現兩個目標。第一是再利用FDA已經批准的藥物，第二是為每個病人選取最有效的藥物。這裡我並不是說哪一類型的病人，而是說單個的病人個體，所以我們和德國的一個機構進行合作，也希望合作能夠實現這兩個目標。

　　如果說大家對我們過去的文獻有所研究，這裡有一篇文章說到對一些老葯有些新的玩法，就是在第一期的臨床實驗的時候，這些老的葯如果有很好的模型，由於它的基因背景不一樣，所以整個測試的成果和結果是不一樣的，所以在第一期臨床實驗當中，由於臨床失敗會讓醫院公司蒙受上百萬美元的損失。我們可以讓每一種藥物實現這種多的用途，然後我們不需要再花上幾百萬美元去新開發一種藥物，而是充分利用現有的藥物，這樣的話也可以充分利用人的基因資源。過去的十年當中，全世界醫療界實際上都在關注人類的細胞來治療病人，如果你是一個病人，取了你的一些細胞進行檢查，這些細胞對你來說是獨特的，和其他人是不一樣的，所以我們可以在這些細胞上做一些藥物的測試。

　　機器人能夠做以下的一些事情，比如我們有二百五十種藥物，看一看這些藥物在治療哮喘和對顆粒過敏方面都有什麼樣的效果，所以能夠將一些原子級別的藥物輸入到這個細胞當中，然後看一看這些藥物對於細胞的效果。圖中黃色的細胞就是機器人注入的東西，可能會擴散到周圍的細胞當中。這個部分的面積越大，藥物的影響力就會越大。這樣做的話我們一個小時可以測試一千個細胞，而不是像過去傳統的那種擴散測試的時候可能一天才能做十個細胞。現在這樣的方式有著非常強大的自動化擴散的能力，能夠很快地測試很多類型的藥物。我希望我說清楚了，機器人通過這種微操控的形式對藥物進行測試，並且能夠讓老葯有一些新的用法。

　　解釋一下我們是如何從一些小的級別往更小的醫藥領域去走，剛開始實際上是微米級別，可能會用非常尖細的探針接觸一些物體，通過這些探針可以看到非常細小的細節。這項技術開發出來之後也取得了很大的進展，比如密西根州立大學和哈工大都在進一步改善這些技術，包括在德國和法國也是這樣。這個過程更短，這樣的話我們就可以很容易地看到納米級別的物體。可以想一想這種電子顯微鏡未來可以用作微米級的感測器，能夠看到更多納米級別的東西。這個在九十年代開始做，今天Akula教授就是這個領域的領路者之一，也在進行一些納米級別的操作。

　　這個機器人有四個機械臂，都是XYZ三項移動功能，也有納米級別的移動解析度，我們這裡納入了很多非常精密的感測器。這個視頻是培訓機器人來做一些事情，我們和三星檢測一些晶體管和最新的消費電子設備，這樣的話能夠徹底地改變對集成電路的檢測方式。這種探針是在不同位置移動進行檢測，三星也能夠將集成電路的檢測進行進一步的升級，實現更高程度的自動化。

　　最後一個例子是納米製造，就是蛋白質的感測器。這個圖看著像一個麵條一樣，但是每一個都是一個硅基的線纜。對於這種蛋白質的感測器，能夠幫助檢查很多癌症，比如檢查它的蛋白質的狀態。傳統的製造業可能只能把它很好地部署下去，但是不能很好地控制它。這些是非常昂貴的技術，但是我們做的是把這個線放置在我們的系統下面。大家可以看到，這個機器人可以做這樣的一個動作，能夠保證蛋白質感測器更加地精準。當然，這是一個研究的產品原型。

　　如何用納米機器人來推動基因行業的發展？昨天的會議上有一個生物領域的專家來到我們的展台問我機器人是否能夠拾起一個二十納米級別的病菌，二十納米其實是非常非常小的，甚至到了原子核的級別，如果看細胞核的話，我們甚至能夠抓取一些納米級別的東西，甚至在細胞核內部的東西我們都能夠比較精確地進行抓取。昨天那個人來到我們的展台說我們想做一些大數據進一步探索，比如病毒和這個級別細胞新的領域，然後他們可以對基因進行排序來治療傳染病。抓取這些基因材料之後我們可以對基因進行排序，然後對基因進行繪圖，了解到一個細胞內的具體結構。

　　最後來談幾個願景，這是來自業界和Youtube上面的視頻，未來幾年我們可以將機器人部署到我們的血液當中，並且能夠控制它，我們也能夠做這種精準用藥，然後會做一些非常精準的手術。十年以前我們在說這些東西的時候大家都會笑話我們，覺得這是不太可能的，但是現在這些事情仍然沒有實現，現在我們再談論這些願景的時候，我們發現很多挑戰已經被解決掉了，所以未來這種願景肯定會實現，也希望在我的有生之年看到這種願景得以實現。Youtube上面還有很多類似的視頻，讓我比較感興趣的是，這是一個材料科學家提出的願景，他們希望未來的製造業是一個原子級別的製造，甚至是納米級別的製造，再加上機器人的運用。我非常同意他的願景，未來機器人將會在製造業當中發揮非常大的作用。

　　今天和大家分享了醫療領域、製造領域納米級別機器人能夠發揮什麼樣的作用，最後來做一個總結：過去的十年我們看到微納機器人取得了巨大的進展，包括用在自動化控制方面，這影響到了很多的學科，並且應用到了很多社會的領域，包括外科、診斷、個性化醫療和製造，包括高端製造和納米製造等等。

　　謝謝各位的聆聽！

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