人类与疾病斗争,已经需要纳米机器人了|CCF-GAIR2017“亚博App”
发布时间:2021-03-14
本文摘要:按:7月7日,中国计算机学会(CCF)主办(公共编号:)和香港中文大学(深圳)主办的第二届CCF-GAIR全球人工智能和机器人峰会在深圳按计划开幕。

按:7月7日,中国计算机学会(CCF)主办(公共编号:)和香港中文大学(深圳)主办的第二届CCF-GAIR全球人工智能和机器人峰会在深圳按计划开幕。大会第三天的医疗人工智能专业场所,香港大学讲座教授、尖端技术研究所所长、IEE方面的RAS候补主席席席宁做了大会报告。席宁教授指出,人类对生命的解读已经到达分子和细胞的尺度,药物开发和化疗手段的想法必须在分子和细胞的尺度上展开测量和操作者的方法——微纳机器人。他举了微纳机器人作为新药开发和临床化疗的多个例子。

他指出,微纳机器人扩大了人的能力,让人们了解自然的探索纳米尺度,给人的各个方面带来霸权性的影响。以下内容整理了自席宁教授的报告,今天想说明微纳机器人在医药和新药开发中的应用。我们告诉医疗主要是临床和化疗两个方面。

从工程的角度来看,临床是对人体的各种异常现象进行测量。化疗是从工程的角度改变人体细胞的现有状态。机器人的两个最重要的功能:传感器和操作者(Manipulation)正好能够在临床和化疗中发挥最重要的作用。

我们首先总结了人类和疾病斗争的历史,最初临床上看病人的颜色好不好,中医看舌苔,看颜色好不好。今后有x射线技术,可以看到身体中、肺等器官,从器官的形态来临床患者的身体状态。

现在医学发展到细胞、分子阶段,医疗临床也一样。我们必须将临床技术降低到微米、纳米的尺度,在细胞分子的尺度上开展Sensing,获得新的临床方式。

化疗也一样,开始是器官的角度,对于器官的开展操作者,以西医为例,器官的修复和手术都在这个尺度上。随着分子生物学的发展,手术在细胞水平、DNA分子水平上开始积极展开,DNA分子是控制细胞生长发育的核心密码,细胞是构成器官的组织的基本单元,更明显的原因是解决问题。同时,随着尺度的减少,必须有更小尺度的Sensing和Manipulation方法。

新药的开发为什么需要这个?最传统的中药,是人类通过数百年的累积,通过大考总结的,是时间累积的结果。传统的新药开发是以目标为基础的新药开发,即基于信号通道转导(Signalingpathway)的新药开发,全面看到疾病和各种因素的关系,考虑到副作用比较全面,这个水平开展新药开发需要新的手段和新的技术,即分子和细胞水平的Sensing和Manipulation药物开发是人类和疾病斗争中最重要的部分。目前,人类面临相当大的挑战,新药开发成本更低,开发药物需要10-15亿美元,需要近10年。

目前,新药开发的投资每年都在急速增加,但药物数量基本相同,说明新药经常出现的较少,成本大幅度提高投入和产量的差更大。与此同时,现在的新更多,几十年前很多病都没有听说过,但是现在很多新病经常出现,药数没有减少,成本更低。

这是人类和疾病斗争相当大的问题。要解决问题,必须建立新的新药开发渠道,必须利用新技术改变现状。如果机器人机器人和自动化技术能帮助我们解决问题呢?人工智能、机器人是热门领域,在生产行业和生活中发挥了相当大的作用,而且在新药和医疗临床和化疗方面,在一定程度上也发挥不了相当大的作用。

机器人最初是替代者(机器替代者),可以做人,但是不想做的事情,比如低重复性的劳动,但是随着机器人技术的发展,机器人已经从非常简单的替代者变成了扩展者,在一定程度上是替代者不想做人,同时也不能做人。例如,机器人与现代信息技术、网络技术相结合,机器人可以在较远的地方开展操作者,帮助人们解决距离带来的困难。机器人以较小的尺度开展操作人员和测量,这意味着它可以解决尺度给人类带来的困难,在人们看不见或触摸不到的环境中开展操作人员和测量。

这样,在医疗临床和新药开发中有很多应用。同时,机器人还可以转移到生理环境、转移到人体等难以转移的环境中,帮助人们解决环境给人们带来的困难。尺度过小,太远,环境太相似,人就做不到,但是有了机器人的协助,我们就能解决这些困难。

机器人帮助我们打破人的能力无限大,达到了尺度、距离、环境给人的许可。这就是机器人扩大机器人人的限度,不能成为人类。

该技术在新药开发和医疗临床中得到了相当大的应用。在传统概念中,机器人在制造业,如汽车制造业,起着相当大的作用。我们现在想如何将自动化机器人在汽车生产、生产中的技术重制到新药的开发、医疗临床和化疗,解决我刚才说的新药的开发、医疗临床中人类面临的挑战。潜在的经济价值非常大。

据统计,汽车工业产值为7280亿美元,其中5080亿美元是自动化和机器人的价值。也就是说,如果没有机器人和自动化,就有汽车产业的今天,也有人类今天享受的物质文明。世界制药工业大于汽车工业,而且目前新药开发过程中自动化程度非常低,在汽车生产中机器人已经大规模使用,但新药开发多在实验室手工操作完成,自动化程度非常低。根据经济学相近的统计资料原理,如果将机器人和自动化作为新药的研究开发,潜在的经济价值大,远远超过汽车工业。

纳米机器人作为新药的开发,如何将自动化和机器人的概念作为新药的开发?像今天的生产线一样,传送带大量将细胞送入机器人的工作空间,机器人在细胞上放置不同的药物,测量细胞,测量目标,测量不同的药物。整个过程的自动化,超过这个目的有几个重要的技术。一是自动运输二是自动化给药和自动化测量给药。这在汽车工业和生产行业基本建设。

但是,仅次于汽车的组装生产,所有零件的尺寸都是一样的,是结构化的环境,所有的东西都是人生产的。但是,在新药的开发中,由于细胞的宽度不同,所谓结构化(unstructured),从感觉控制和计划方面,机器人技术明确提出了新的挑战。

为了迎接挑战,我们做了一些工作。首先,机器人需要操作者的手段,发展纳米操作者的机器人,在纳米尺度上可以对物体进行操作者和测量是最重要的。

机器人要成为操作者,最重要的是看不见,看不见,摸不着,把药放在特定的方向上,测量药的效果。例如,上图右侧显示纳米操作者机器人,人用操纵杆展开操作者。机器人可以在里面运动,右图下面有细胞,我们可以做几个手术,把一部分手术和药物敲在上面。

要做到这一点,必须表现纳米尺度的环境。这样,人们就可以看到和展开操作者。我们需要找到高速在纳米尺度下开展光学的技术,制作视频般的动态图像,协助操作者。

我们使用传输感觉的原理。尺度非常小,必须高速测量环境。光学看不见,尺度太小,必须用原子力显微镜、电子显微镜测量。

右图是动态图像,DNA分子在液体中摇晃。我们可以动态测量DNA分子的运动,因为DNA分子的直径只有1-22nm。

这是开展操纵和测量的基本。有了这些,我们就可以开展操作者。

上图左侧为DNA分子,红色为纳米机器人。纳米机器人沿着DNA分子运动,维持在DNA分子上,拒绝方向控制的精度为1-2纳米。其起点是,DNA最重要的是测量序列,测量序列后需要预测未来的疾病。

测量序列是对ATCG四种不同的分子进行测量,纳米机器人沿着回头,可以迅速告诉分子构成,这是对DNA进行测量序列的方法。光学是最重要的,但必须同时开展操作者。操作者必须以微纳米尺度进行手术。

手术拒绝机器人的终端执行器具有一定的刚性,但光学感觉拒绝终端执行器非常硬,因此操作者和光学之间没有对立。例如,纳米级的探针,如果小而柔软的话,引导什么的话,就不会弯曲推动。

这给纳米尺度的操作者带来了相当大的困难。但是,刚性相当大,小时候碰到柔软的东西,不告诉韧性,传感和测量的精度就会减少。我们解决问题的对立方法是在探针上添加驱动器,通过控制驱动器可以改变探针的机械特性,使探针的刚性固定,测量时柔软,容易测量环境的韧性。同时,操作者看起来很柔软。

例如,上图的纳米线只有100纳米,是头发直径的千分之一。白色的是探针,我们控制信号后,探针本身变软,可以推进。探针可以通过转换机械特性来超越我们的目的。

这是微纳米操作者中最重要的例子。纳米机器人作为临床化疗机器人相关的技术使用,医疗临床化疗中有什么应用?例如,化疗皮肤病中的银屑病。银屑病是一种免疫系统疾病。

人的皮肤上皮细胞和细胞之间有蛋白质Desmosome。由于一些免疫系统疾病,人体会产生抗体(蛋白质),不会反击破坏Desmosome,在人体表面构成很多水泡,不会西红柿。当时整个过程的机制并不准确,有猜测是抗体的原因,也有人猜测是信号传输过程的可能性。由于环境限制,研究非常困难。

我们的方法是用纳米机器人机器缝合Desmosome。或者用纳米机器人把抗体放在Desmosome上,就会被破坏。

通过机械切割和抗体的比较,可以试验两者之间的详细情况,协助确认该病的原因。最后通过我们的研究证明,这种皮肤病不是机械发生的,而是由信号传输引起的,因此工具和技术的提高使原本难以研究的问题更加容易。我们还可以通过这种方法研究干细胞的分解。

干细胞是最重要的,但是预测什么时候分解,在什么条件下分解,测量分解的状态是不可能的。由于有纳米机器人,可以动态测量干细胞的机械特性,预测分解的状态。另一个应用于纳米机器人在化疗领域是淋巴瘤。

淋巴瘤化疗有美罗华的特效药,是目标药物,在临床上得到了很大的应用。但是,不存在耐药性差异的问题。也就是说,这种药对某些人有效,某些人无效。

这种药物价格昂贵,化疗成本高,如果不能提前了解化疗效果,不仅浪费金钱,还耽误了宝贵的化疗时机。因此,化疗前必须预测化疗效果。我们用纳米机器人放入患者的癌细胞,发现癌细胞的目标和药物的结合力超过了一定程度才发生。

通过这项研究,可以预测目标化疗使用后的效果不是什么,临床意义非常大。另一个例子是研究细胞粘合力。细胞粘合力的大小直接影响伤口的伤口。

另一个最重要的是作为假肢领域使用。现在有一种顺利的方法是把钢管挂在骨头上,使假肢的效果和真人一样。但是,里面有相当大的问题。钢管夹住脚,皮肉生长在钢管外面,但不产生间隙,细菌不会感染病毒,时间变宽后不会感染骨病毒,最后必须取下假肢。

人们希望积极研究细胞的粘接力,特别是细胞和假肢之间的粘接力,理解其中的机制后,可以用一系列方法很好地连接,避免病毒感染。这很难。例如,如何测量细胞的粘接力?纳米机器人开发了动态测量的方法,研究了不同药物对粘接力的影响。另一个应用于测量离子通道离子电流。

动态测量离子通道的电流对了解细胞的生理功能和化疗许多疾病具有最重要的意义。但是,测量很困难,以前的传统方法被称为薄膜钳,这是一项技术性的工作,必须练习多年才能测量。目前,纳米机器人技术可以正确定位,正确展开测量,本来简单的过程非常简单,可以高速展开测量。人的耳朵里面有内耳细胞,内耳细胞表面有很多毛,就像天线一样。

空气中的振动传导蜗牛时,不会引起纤毛的弯曲变形,关闭特定的离子通道,产生信号,听到声音。由于离子通道的问题,很多人不会失明。

因此,有必要研究药物转换的现象,但在研究药物的过程中需要动态测量,看药物能否长时间使离子通道变长。但是,这个测量很困难。

在细胞上离子通道进行测量的同时,也会产生机械性的刺激,使毛发弯曲变形,因此必须以较小的尺度展开正确的操作者,非常困难。利用纳米机器人,不仅可以对这些纤毛进行AMD的非常正确的机械刺激,还可以测量离子通道,通过举出不同的药物来理解化疗效果。

总而言之,人类对生命。的理解已经达到分子和细胞的尺度。因此,无论是药物开发还是化疗手段的创造性,都必须用分子和细胞尺度的测量和操作者的工具,将传统手术从器官水平扩大到分子和细胞水平,开展医疗临床,开展新药的开发,应对人类面临的疾病原始文章允许禁止发布。

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