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人类与疾病斗争,已经需要纳米机器人了|CCF-GAIR2017:yabo手机版登录

发布日期:2021-04-29 07:10浏览次数:
本文摘要:7月7日,由中国计算机学会(CCF )主办、(公众号:)由香港中文大学(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如期发布。在大会第三天的医疗人工智能专场,香港大学演讲席教授、尖端技术研究所所长、IEEE RAS候补主席席宁进行了大会报告。西宁教授说,人类生命的解读已经达到分子和细胞的尺度、药物开发和化疗手段的创造性,必须在分子和细胞的尺度上开展测量和操作者的方法——微纳米机器人。 他还列举了微纳米机器人被用作新药开发和临床化疗的许多例子。

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7月7日,由中国计算机学会(CCF )主办、(公众号:)由香港中文大学(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如期发布。在大会第三天的医疗人工智能专场,香港大学演讲席教授、尖端技术研究所所长、IEEE RAS候补主席席宁进行了大会报告。西宁教授说,人类生命的解读已经达到分子和细胞的尺度、药物开发和化疗手段的创造性,必须在分子和细胞的尺度上开展测量和操作者的方法——微纳米机器人。

他还列举了微纳米机器人被用作新药开发和临床化疗的许多例子。他指出,微纳米机器人扩展了人类的能力,使人类理解纳米尺度对自然的探索,对人类的各个方面都有卓越的影响。

以下内容是整理席宁教授的报告,有删改。今天我想说明一下Wenna机器人在医药和新药开发中的应用。我们告诉他医疗主要是临床和化疗两方面。从工程的角度出发,临床上测量人体的各种异常现象。

化学疗法从工程学的观点来看是改变人细胞的现有状态。而且,机器人的两个最重要的功能传感和操作者(Manipulation )正好能够在临床和化疗中发挥最重要的作用。

我们先总结人类和疾病达成斗争的历史,开始的时候,临床上患者的脸色好,中医看舌苔,脸色好,脸色好,颜色坏。之后,有了x射线技术,就可以看到身体里,看到肺等器官,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。

我们必须把临床技术降低到微米、纳米的尺度,用细胞分子的尺度展开Sensing,获得新的临床方式。化疗也一样,最初是器官的角度,对器官展开操作者,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,手术开始在细胞层面、DNA分子层面积极展开,DNA分子是控制细胞生长发育的核心代码,细胞是构成器官组织的基本单位,从更明显的原因解决人类疾病问题。另外,随着尺度的减少,需要更小尺度下的Sensing和Manipulation手法。

新药开发为什么需要这个? 最传统的中药是人类通过数百几千年的累积,通过大的实验总结出来的,是时间累积的结果。传统新药开发是以靶点为基础的新药开发,基于信令通路的新药开发全面考虑疾病与各种因素的关系,对副作用全面考虑,在这个水平上与新手段和新技术,即分子和细胞水平上的Sensing 药物开发是人类和疾病斗争中最重要的部分。现在人类面临相当大的挑战,新药开发的成本更低,开发药物需要10-15亿美元,需要近10年。他解释说,现在新药开发的投资每年都在大幅迅速增加,但药物数量几乎持平,新药很少出现,成本大幅上升,投入和产量差距更大。

与此同时,现在新病更多,几十年前没听说过很多疾病,但现在出现了很多新病,药量不减少,成本更低。这是人类与疾病作斗争时相当大的问题。

解决问题的问题必须建设新药开发的道路,必须利用新技术才能改变现状。如果是的话,机器人和自动化技术能帮助我们解决问题吗? 人工智能,机器人在很热的领域,在生产行业和生活中起着相当大的作用。另外,在新药和医疗的临床和化疗方面,在一定程度上也起不到相当大的作用。机器人最初是换人(机器换人),虽然可以换人但不想做,例如被用于低再现性的劳动,但随着机器人技术的发展,机器人已经从非常简单的换人开始扩展人, 例如,机器人融合了现代信息技术、网络技术,机器人可以在很远的地方展开操作者,有助于解决距离带来的困难。

机器人在小尺度上与操作者展开测量,解决尺度给人类带来的困难,意味着在人看不见、摸不到的环境下与操作者展开测量。那样的话,在医疗临床和新药开发中有很多应用。另外,机器人也可以转移到生理环境、人体、有助于解决环境给人带来的困难等人难以转移的环境。尺度太小,太远,环境太相似,人做不到,但是有机器人的协助,我们就能解决这些困难。

机器人帮助我们无限大地提高了人类的能力,最大限度地提高了尺度、距离和环境对人的允许。这是机器人让机器人扩大人类的极限,人类做不到的。这项技术在新药开发和医疗临床上应用相当广泛。

在传统概念中,机器人在制造业例如汽车制造业中起着相当大的作用。我们现在想把汽车生产、生产生产中的自动化机器人技术再生产成新药开发、医疗临床和化疗,解决刚才说的新药开发、医疗临床中人类面临的挑战。潜在的经济价值非常大。

据统计资料显示,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使用带来的价值。也就是说,如果没有机器人和自动化,既有汽车产业的今天,也有人类今天享受的物质文明。世界制药工业比汽车工业大,而且现在新药开发过程中的自动化程度非常低,汽车生产中的机器人已经大规模使用,但新药开发还在实验室依赖手工完成,自动化程度非常低。根据接近经济学的统计资料原理,机器人和自动化用于新药开发是一项潜在的经济价值大、非常强大的汽车工业。

纳米机器人用于新药开发我们如何将自动化和机器人的概念用于新药开发? 我们想象着像今天的流水线一样,传送带将细胞大幅度送入机器人的工作区,机器人将不同的药物放在细胞上,同时测量细胞,测量不同的目标,测量不同的药物效果。整个过程的自动化有几项重要的技术来超越这个目的。

一个是自动运输。二是自动给药和自动测定给药。这在汽车工业和生产行业都是基本建立的。但是唯一的区别是汽车的组装生产是所有的零件尺寸都差不多,在结构化的环境中,所有的东西都是由人生产的。

但是,在新药的开发中,因细胞宽度不同而不同,是所谓的结构化(unstructured ),因此从感觉的控制和计划方面来看,对机器人技术明确了新的挑战。为了迎接挑战,我们做了一些方面做的工作。首先机器人必须有操作者的手段,我们可以开发纳米操作者机器人,在纳米尺度上与物体的操作者展开测量是最重要的。机器人要成为操作者,最重要的是能看到和触摸看不见的东西,为了测定药物的效果,能在特定的方向放置药物。

例如,上图的右侧显示了纳米操作员机器人,人类用操纵杆展开操作者。机器人可以在内部运动,右图下面有细胞。我们可以做一些手术,做一些手术,磕药。

要做到这一点,必须明确纳米尺度的环境,使人能看到,展开操作者。需要找到以纳米尺度高速展开光学,生成视频这样的动画的技术,帮助操作者。我们用了传达感觉的原理。

尺度非常小,必须高速测量环境。因为看不见光学,所以标尺太小,必须用原子力显微镜、电子显微镜测量。

右图是DNA分子在液体中摇摆的动态图像。我们可以动态测量DNA分子的运动。这是一个小尺度。因为DNA分子的直径只有1~2纳米。

这是展开操作和测量的基本内容。如果可以的话,我们可以展开操作者。上图左边是DNA分子,红色的是纳米机器人。通过使纳米机器人沿着DNA分子运动,维持在DNA分子上,拒绝方位控制的精度为12纳米。

其作用是,DNA最重要的是测序,测序后需要预测未来的疾病。测序测量ATCG的四种不同分子,纳米机器人一转身就能传达分子构成。这是减慢DNA测序的方法。光学是最重要的,但同时要展开操作者。

操作者以微纳米尺度展开手术,拒绝手术机器人的末端执行器具有一定的刚性,光学感觉拒绝末端执行器足够硬,因此操作者和光学之间没有对立。例如,纳米尺度的探针又小又软,所以想要拉出东西时,不会弯曲或按压,给以纳米尺度展开操作者带来很大的困难。

但是,我没能得到相当大的刚性。小时候遇到非常柔软的东西,就不告诉我那个固件,传感和测量的精度下降了。我们解决问题的对立方法是在探针上追加驱动器,通过控制驱动器可以改变探针的机械特性,因此探针的刚性固定式在测量时看起来很柔软,容易测量环境的固件。

同时操作者的时候看起来很柔软。比如上图的纳米线,只有头发直径的千分之一的约100纳米。

白色的是探针。施加控制信号后,探测器本身变软,可以展开。探针通过改变机械特性,可以超过我们的目的。

这是微纳米操作者中最重要的例子。纳米机器人被用作临床化疗机器人的相关技术,在医疗临床化疗中有什么应用? 比如化疗皮肤病的牛皮癣。

银屑病是免疫系统疾病。人皮肤的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),反击不会破坏Desmosome,人体表面会构成很多水泡,西红柿也不会。

当时整个过程的机制不正确,有人推测是抗体的原因,也有人推测可能是信号传导过程的原因。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,可能会被破坏。

通过与抗体的对比机械切断,可以得到试验两者的详细情况,确认该疾病的发生原因的协助。最后我们的研究表明,这种皮肤病不是机器发生的,而是由信号传递引起的,因此工具和技术的提高使本来难以研究的问题变得更容易。

也可以用这种方法研究干细胞的分解。干细胞是最重要的,但测量什么时候分解、在什么条件下分解、分解的状态是徒劳的。因为有纳米机器人,所以可以动态测量部分干细胞的机械特性,预测分解的状态。在纳米机器人的应用在化疗领域比较顺利的例子是淋巴瘤。

淋巴瘤化疗有特效药——美罗华,这是靶向药,临床上得到了很大的顺利应用。但是,没有耐药性的区别。也就是说,这药对某人有效,对某人无效。

这种药价格昂贵,化疗成本高,如果不能事先理解化疗的效果,不仅浪费了钱,还延误了宝贵的化疗时机。所以化疗之前需要预测化疗效果的方法。

我们用纳米机器人进入患者的癌细胞,发现只有癌细胞的目标和药物的结合力达到一定程度以上时才能起作用。这项研究预测使用靶向化疗后效果不大,临床意义十分重大。另一个例子是研究细胞粘附力。

细胞粘附力的大小直接影响伤口。另一个最重要的作用是用作假肢领域。现在有一个顺利的方法,就是把钢管挂在骨头上,让假肢的效果和人类一样。

但是,里面有很大的问题。钢管夹腿,皮肉长在钢管外,但不能缝隙。不会让细菌感染病毒。

随着时间的推移,不会引起骨病毒感染,最终会卸下假手。积极研究细胞的粘接力,特别是细胞和假肢的粘接力,理解其机理后,希望用一系列的方法很好地结合,避免病毒感染。这很难。比如细胞的粘合力是怎么测定的? 可以通过纳米机器人开发一种方法,动态测定,研究不同药物对粘接力的影响。

另一个应用是测量离子通道的离子电流。动态测量离子通道的电流对理解细胞的生理功能和化疗的许多疾病具有最重要的意义。但是很难测量。

以前的传统方法被称为膜片钳。这是一项技术工作,必须练习好几年才能测量。利用纳米机器人技术可以进行正确的定位、正确的展开测量。

原本简单的工艺变得非常简单,可以高速展开测量。人的耳朵有内耳细胞,内耳细胞的表面有很多像天线一样的纤毛。空气中的振动传递耳蜗时,不会引起纤毛的弯曲变形,关闭特定的离子通道,发出信号使其发出声音。

因为离子通道的问题很多人不会失明。因此,必须研究药物变化的现象,但在研究药物的过程中,需要动态测量药物能否长时间持续离子通道的方法。但是,这个测量很难。

在用细胞上的离子通道展开测量的同时,由于给予机械刺激使纤毛产生弯曲变形,因此必须以小尺度展开正确的操作者,非常困难。利用纳米机器人,我们不仅可以对这些纤毛展开AMD非常高的正确机械刺激,还可以对离子通道展开测量。这样可以列举不同的药物,理解化疗的效果。

总结起来,人类对生命的理解已经达到了分子和细胞的尺度。因此,无论是药物开发还是化疗手段的创造性,都必须将分子和细胞尺度上的测量和操作者的工具,甚至传统手术从器官的水平增大到分子和细胞的水平,这是我们开展医疗临床,协助我们开展新药开发。

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