看過(guò)科幻電影《神奇旅程》的人應(yīng)該對(duì)迷你普羅透斯船非常熟悉，它可以處理人體大腦的血凝塊。如今，不少科學(xué)家已經(jīng)踏上了實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想的征程。不論是能夠終結(jié)癌細(xì)胞的DNA機(jī)器人，還是人造肌肉，抑或是能夠在體內(nèi)巡回的納米等級(jí)火箭，都在納米尺度世界中完成現(xiàn)有科技無(wú)法企及的任務(wù)。納米醫(yī)療機(jī)器人究竟有多小？如何制造和使用這樣的機(jī)器人？納米醫(yī)療機(jī)器人一旦進(jìn)入人體，是否會(huì)造成傷害？納米醫(yī)療機(jī)器人何時(shí)走入我們的生活？
納米操作機(jī)器人已在臨床嶄露頭角
遼寧日?qǐng)?bào)：據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，科學(xué)家最新設(shè)計(jì)的納米等級(jí)火箭未來(lái)的某一天有望在人體內(nèi)巡游，或者執(zhí)行醫(yī)學(xué)任務(wù)。這非常像科幻電影《神奇旅程》中的迷你普羅透斯船，它能夠處理一位患病俄羅斯科學(xué)家大腦中的血凝塊。目前這種納米等級(jí)火箭應(yīng)該屬于納米醫(yī)療機(jī)器人的范疇吧？
劉連慶：只要有感知、驅(qū)動(dòng)和控制的系統(tǒng)，都可以稱(chēng)作機(jī)器人。你提到的納米等級(jí)火箭可以感知血凝塊，可以從其他地方移動(dòng)到附近，而且這種移動(dòng)以及后續(xù)處理都需要控制，所以屬于機(jī)器人范疇。至于納米機(jī)器人，國(guó)際機(jī)器人學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，只要有一個(gè)尺度能夠達(dá)到納米級(jí)別，這種機(jī)器人就可以稱(chēng)為納米機(jī)器人。例如，從體積上講，一個(gè)機(jī)器人的長(zhǎng)和寬數(shù)值都很大，但高度卻達(dá)到了納米級(jí)別，這樣的機(jī)器人就可以稱(chēng)為納米機(jī)器人。
遼寧日?qǐng)?bào)：一直認(rèn)為納米機(jī)器人一定非常小，原來(lái)不是這樣啊。
劉連慶：最開(kāi)始的定義比較嚴(yán)格，具體的數(shù)值是0.1-100納米之間吧。
遼寧日?qǐng)?bào)：除了納米等級(jí)火箭，還有什么樣的納米醫(yī)療機(jī)器人？
劉連慶：在機(jī)器人領(lǐng)域，我們將納米機(jī)器人分為兩類(lèi)：一類(lèi)是納米操作機(jī)器人，納米操作機(jī)器人的本體可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)納米等級(jí)，但它能操作的物體非常小，就是操控能力達(dá)到了納米尺度，比如搬動(dòng)一個(gè)原子、分子，也就是說(shuō)機(jī)器人很大，但是它能夠操作的精度非常高；另外一個(gè)是體積達(dá)到納米級(jí)別的機(jī)器人，也就是我們開(kāi)始所說(shuō)的納米機(jī)器人。
遼寧日?qǐng)?bào)：這種納米操作機(jī)器人體積較大，與我們想象中的納米機(jī)器人相差甚遠(yuǎn)。
劉連慶：“納米技術(shù)”一詞由來(lái)已久。 1959年，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在一次題目為 《底層有很大的空間》的演講中提出了“納米技術(shù)”一詞。他認(rèn)為人類(lèi)將來(lái)有可能建造一種分子大小的微型機(jī)器，可以把分子甚至單個(gè)的原子作為建筑構(gòu)件，在非常細(xì)小的空間里構(gòu)建物質(zhì)，這意味著人類(lèi)可以在最底層空間制造任何東西。
我們可以看出，理查德·費(fèi)曼教授所提出的納米技術(shù)與納米操作機(jī)器人的意義更為相關(guān)，重在操作、控制和加工環(huán)節(jié)。當(dāng)然，有了納米操作機(jī)器人就更容易制造出尺度非常微小的納米機(jī)器人，納米機(jī)器人其實(shí)就是費(fèi)曼教授前面所提微型機(jī)器的一種。如今，科學(xué)界對(duì)這兩方面都非常關(guān)注，在醫(yī)療方面都有所應(yīng)用。
遼寧日?qǐng)?bào)：這些納米機(jī)器人在醫(yī)療方面都有哪些非同凡響的作用？
劉連慶：我們分別舉例來(lái)說(shuō)明。
納米操作機(jī)器人可以對(duì)細(xì)胞表面的蛋白進(jìn)行感知和“手術(shù)”。比如，某些癌細(xì)胞表面存在一些特定的抗原，這些抗原可以引起后續(xù)的不良生物反應(yīng)，利用納米操作機(jī)器人可以將這些抗原移除掉。目前，醫(yī)院可以使用納米操作機(jī)器人來(lái)感知病人癌細(xì)胞上抗原的不同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的治療。
通常所說(shuō)的納米機(jī)器人目前還沒(méi)有真正進(jìn)入臨床使用，基本上處于研發(fā)的前期。我了解到，我國(guó)有一種膠囊形的機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始使用，它可以沿著胃腸道行進(jìn)，并對(duì)胃腸道攝像，以替代胃鏡，但這種機(jī)器人并沒(méi)有達(dá)到納米級(jí)別，只是較其他機(jī)器人小一些，所以應(yīng)該不能算作納米機(jī)器人。
遼寧日?qǐng)?bào)：也就是說(shuō)現(xiàn)有的機(jī)器人可以做一些檢查身體的工作，卻沒(méi)有達(dá)到直接治療患者的技術(shù)水平？
劉連慶：據(jù)我所知，目前還沒(méi)有可以直接進(jìn)入人體血液進(jìn)行治療的納米機(jī)器人。不過(guò)，我知道一種與納米科技相關(guān)的治療方式發(fā)展較快，處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的階段。它使用一個(gè)外界磁場(chǎng)和許多磁性納米顆粒，在治療癌癥如肝癌時(shí)，把治療肝癌的藥物裹在磁性納米顆粒上，利用外界磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)磁性納米顆粒，將其集中在肝臟附近區(qū)域，由此來(lái)達(dá)到定點(diǎn)釋藥的目的。我們知道通過(guò)腸道吃藥后，藥物隨著血液循環(huán)到達(dá)全身各處，在沒(méi)有癌細(xì)胞的地方，也會(huì)出現(xiàn)這些藥物，這種利用磁場(chǎng)進(jìn)行局部治療的方式無(wú)疑能夠提升藥物的作用效果。
還有一種是不裹藥物的，比如將金屬納米顆粒集中在病發(fā)部位，通過(guò)微波技術(shù)加熱金屬納米顆粒，也能達(dá)到癌細(xì)胞定點(diǎn)殺傷的目的。
這種方法在外界不僅需要有磁裝置來(lái)配合，還需要X射線裝置來(lái)觀察控制，整個(gè)系統(tǒng)具有感知、驅(qū)動(dòng)和控制的能力，可以稱(chēng)為機(jī)器人化系統(tǒng)，部分技術(shù)屬于納米機(jī)器人范疇。
人體免疫系統(tǒng)會(huì)不會(huì)排斥納米機(jī)器人
遼寧日?qǐng)?bào)：我們都說(shuō)“是藥三分毒”，治療癌癥的藥物更會(huì)殃及不少完好的細(xì)胞。這種治療方式為我們擺脫了這一顧慮，但是，我們不禁又產(chǎn)生懷疑，這種治療方法中，納米顆粒進(jìn)入人體后，如何排除？
劉連慶：現(xiàn)在很多人也都在懷疑這些納米顆粒到底去了哪里，有的人認(rèn)為已經(jīng)排出體外，有的人認(rèn)為沒(méi)有。當(dāng)顆粒小到納米級(jí)別的時(shí)候，它可以進(jìn)入細(xì)胞，但是最終會(huì)到達(dá)哪兒，誰(shuí)也說(shuō)不清楚。有研究者聲稱(chēng)，在后期檢測(cè)時(shí)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些納米顆粒，但是不少人也對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)提出懷疑。此外，這些納米顆粒到底有沒(méi)有毒，也是存在爭(zhēng)議的。
這一難題是有出路的，現(xiàn)在有研究人員從植物中發(fā)現(xiàn)了一種天然有機(jī)可降解納米顆粒，初步確認(rèn)無(wú)毒，也許這正是這種納米機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展障礙的解決方案。
遼寧日?qǐng)?bào)：納米醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)入人體會(huì)不會(huì)給人體帶來(lái)其他傷害？
劉連慶：這一問(wèn)題存在很大的爭(zhēng)議。人體的免疫系統(tǒng)，對(duì)于任何外來(lái)物體的侵入都會(huì)進(jìn)行攻擊。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，手上扎了一根刺，本質(zhì)上講，皮被蹭掉一塊都問(wèn)題不大，但即使是一個(gè)非常小的刺不拔出來(lái)，它都有可能潰膿，而且越潰越大，這是因?yàn)榇虒?duì)于手上的皮膚來(lái)說(shuō)就是一個(gè)外界侵入體，免疫細(xì)胞會(huì)對(duì)其進(jìn)行攻擊，從而消滅外來(lái)侵入體。試想，我們將納米機(jī)器人植入人體，人體的免疫系統(tǒng)一定會(huì)對(duì)這一外界侵入體做出大量的反應(yīng)，極可能導(dǎo)致一些不良后果，所以人們不敢輕易將納米機(jī)器人注入血管。像我們前面所說(shuō)的膠囊機(jī)器人，是通過(guò)食管、胃進(jìn)入人體，后由肛腸排出，這種方式在這方面的問(wèn)題還不太嚴(yán)重，因?yàn)槲该刻於家邮胀鈦?lái)物，有一定的天然適應(yīng)性。
面對(duì)人體的免疫系統(tǒng)，如果人類(lèi)可以使用一種純天然的、與人體生理兼容的材料（如人體蛋白）來(lái)制造納米機(jī)器人，相信未來(lái)納米機(jī)器人進(jìn)入血管的可能性就非常大了。
遼寧日?qǐng)?bào)：納米醫(yī)療機(jī)器人如何解決燃料問(wèn)題？
劉連慶：對(duì)于未來(lái)納米機(jī)器人能源問(wèn)題的解決有兩種設(shè)想：
首先，納米機(jī)器人太小了，在能源方面幾乎不能采用攜帶電池的方式，所以很多人認(rèn)為應(yīng)該采用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的方式。
其次，有不少人還有一個(gè)極端的想法，就是將細(xì)菌與納米機(jī)器人綁在一起，推動(dòng)納米機(jī)器人的前進(jìn)。但是，我們知道細(xì)菌進(jìn)入人體后，人體的免疫系統(tǒng)會(huì)將其消滅，或者會(huì)造成人體感染細(xì)菌。
除非可以從人的系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)某種東西可以做驅(qū)動(dòng)，或者對(duì)人體的生命機(jī)理更加熟悉后，使用人體自身的能量作為驅(qū)動(dòng)。但是這些方法在可控性上，都會(huì)存在一些問(wèn)題，或許在以人體自身能量為主的基礎(chǔ)上，再加上外磁場(chǎng)的干預(yù)是更好的解決方案。
納米級(jí)零部件太難造小機(jī)床成大障礙
遼寧日?qǐng)?bào)：目前，納米尺度體積的納米醫(yī)療機(jī)器人是否已經(jīng)制造出來(lái)？
劉連慶：這就是一個(gè)“雞生蛋，蛋生雞”的問(wèn)題要想制作納米機(jī)器人，就必須要有納米等級(jí)的零部件，但是納米等級(jí)的零部件必須由納米等級(jí)的機(jī)床來(lái)制造，而機(jī)床也需要更小的零部件來(lái)組裝完成，所以讓人無(wú)從下手。
理查德·費(fèi)曼教授曾經(jīng)提出了解決之道，叫做費(fèi)曼挑戰(zhàn)。他的原理很簡(jiǎn)單，就是使用大機(jī)床來(lái)制造小機(jī)床，再用小機(jī)床制造更小的機(jī)床，依此類(lèi)推，總有一日能夠達(dá)到納米級(jí)別。當(dāng)時(shí)很多人都參加了他的這一挑戰(zhàn)，但是非常遺憾地發(fā)現(xiàn)，越往小發(fā)展，機(jī)床的制造越困難，如今這方面的報(bào)道越來(lái)越少，費(fèi)曼挑戰(zhàn)成為了真正的挑戰(zhàn)。
遼寧日?qǐng)?bào)：納米醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展前景如何？
劉連慶：這個(gè)前景是非常廣闊的。美國(guó)、歐盟、以色列、加拿大、中國(guó)等都在研究納米機(jī)器人，但是充滿了困難和挑戰(zhàn)，不論是感知、驅(qū)動(dòng)，還是控制，都有許多現(xiàn)有技術(shù)解決不了的地方，期待發(fā)展。
遼寧日?qǐng)?bào)：您是否可以預(yù)測(cè)，納米醫(yī)療機(jī)器人何時(shí)能夠真正進(jìn)入臨床使用？
劉連慶：納米操作機(jī)器人現(xiàn)已走入醫(yī)療隊(duì)伍，納米機(jī)器人系統(tǒng)處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，相信在10年后可以投入臨床使用。但是，能夠進(jìn)入血管按照人們意志工作的納米機(jī)器人需要的時(shí)間則可能會(huì)久一些。 本報(bào)記者／張曉麗
專(zhuān)家檔案
劉連慶 博士，研究員，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)研究室副主任。主要研究領(lǐng)域?yàn)椋杭{米機(jī)器人學(xué)、微納傳感技術(shù)、微納生物醫(yī)學(xué)。參與組建了我國(guó)第一套納米操作機(jī)器人系統(tǒng)，先后獲得中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院盧嘉錫青年人才獎(jiǎng)、IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)青年科學(xué)家獎(jiǎng)等榮譽(yù)和獎(jiǎng)勵(lì)。
