在2021世界機器人大會博覽會上，大塊頭的機器人和強壯的機械臂格外吸睛。然而在實驗室裡，科學家和工程師正在研發一種機器人，它們雖然微不可見，本領卻很大，未來或將治療人類癌症，併產生顛覆性的變革，這就是奈米機器人。
奈米機器人研究發展到什麼階段了？科幻場景何時能成真？在今年的世界機器人大會上，新京報記者採訪了中科院瀋陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室副主任劉連慶，他長期從事微納機器人研究。
中科院瀋陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室副主任劉連慶。受訪者供圖
奈米機器人材料應具備生物可相容性
新京報：奈米機器人有多大？
劉連慶：奈米機器人是指機器人自身尺寸很小，但是學術界並沒有一個嚴格尺寸定義，通常指機器人至少在一個維度特別小，達到了奈米尺度。這裡說的奈米尺度並不是要求在1奈米（10的負9次方米）以下，可以在10奈米到100奈米之間。比如一個奈米機器很長，但很細，直徑不到100奈米，也可以稱為奈米機器人。也有學者認為奈米機器人只要本體尺寸小於1um（微米）就行，所以學術界通常用微納機器人來泛指自身尺寸很小、能夠注射進入人體的機器人。
新京報：奈米機器人是用什麼材料做的？
劉連慶：現在的奈米機器人研究主要集中於人體之外，做前期基礎理論的研究，所以各式各樣的材料都有，沒有形成最終形態，但大的趨勢是逐漸向生物可降解、完全生物相容性的材料方向發展。因為真正要進入人體的奈米機器人，其材料一定要有生物相容性。
目前，研究奈米機器人最多使用的是磁性材料，但其生物相容性稍微差一點兒。現在被研究的具有生物相容性的材料有很多，比較有代表性的是可降解的水凝膠或者多肽。但具有生物相容性的材料也存在一個問題。舉例來說，使用磁性材料，奈米機器人進到人體之後，由於其自帶磁性，人們可以透過外磁場對其進行控制。如果換成生物相容性材料，能源從哪來、怎麼控制它就變成了新的問題。
奈米機器人未來可應用於國防、環境監測領域
新京報：現在科學家研究奈米機器人用於癌症治療，奈米機器人可以理解為靶向藥嗎？
劉連慶：我覺得還不全面。研究奈米機器人的一個目的是把它變成靶向藥的載體，使其定向輸送藥，但是奈米機器人還有別的作用。舉個例子，比如患者做了一個手術，在體內留下創傷。奈米機器人可以自己組織起來形成一個平面，類似於創可貼，貼在傷口上。此時它的作用就不是輸送藥，而是進行傷口的癒合。
在初級階段，奈米機器人只有被動運動功能，沒有執行能力，就好比水裡漂浮的稻草，雖然能被控制著隨波逐流，但是幹不了活兒。作用就是把奈米機器人本體上裹上藥，讓它停在特定送藥位置，進行靶向治療。隨著今後的發展，科幻電影中的場景可能成真。比如奈米機器人有了執行能力，人體心腦血管有阻塞的地方，它可能相當於挖掘工或者搬運工，有手有爪，能抓住和殺死細胞，把阻塞部位疏通，所以把奈米機器人理解為靶向藥並不全面。
新京報：奈米機器人可以自主執行任務嗎？還是需要科研人員在外部進行操作？
劉連慶：目前我們在外面發指令，比如透過光、磁或者超聲等給它傳遞訊號，透過結構的設計驅動它產生特定的功能。奈米機器人非常小，它自主執行任務就像無人駕駛汽車一樣，自己要攜帶能源，又要有環境感知能力和決策能力，這可能還有很長的路要走。
新京報：奈米機器人屬於醫療機器人嗎？
劉連慶：奈米機器人很難劃分為哪一類。國際標準化組織將機器人劃分為服務機器人和工業機器人，服務機器人又分為家庭服務機器人和專業服務機器人。按照這種劃分，微納機器人應該屬於專業服務機器人。
儘管醫療機器人也屬於專業服務機器人，但不能把微納機器人劃歸為醫療機器人。雖然目前大家研究它主要應用於醫療衛生、癌症治療。但未來，它也可以不進入人體，而是像奈米灰塵一樣，攜帶感測裝置收集訊號，可能對國防、環境監測發揮作用。
我國微納機器人研究處於國際領先水平
新京報：目前，國內外微納機器人的研究進展如何？
劉連慶：國內微納機器人研究做得挺好。從發表文章的數量、質量和實驗進展來看，在微納機器人方向上，我國跟國際領先水平是同步的。舉例來講，國際上有幾個特別知名的機器人領域期刊，我國在微納機器人領域發文章的數量上，跟歐美髮達國家同步。
從實驗進展來看，也基本與國外持平，國內已將微納機器人應用到小動物身上做實驗了，比如老鼠等。“十四五”期間，我國科學家的目標是在大動物身上開展實驗，比如家豬、狗等。大動物身上做實驗是現在國際同行都在努力的方向，我預計我們國家進展會更快一些。
新京報：什麼時候可以在靈長類動物身上做這種實驗？
劉連慶：目前，用大動物做實驗准入門檻相對比較低，學校和有資格的醫院可以聯合做。如果想做猴子等靈長類動物的實驗，需要進行嚴格的審批。儘管技術是相通的，但從動物保護、倫理等方面考慮，想做靈長類動物或者人體實驗，還需要一個相對較長的過程。
小鼠實驗證明，奈米機器人可以被叢集控制
新京報：在小白鼠身上做實驗，得出了什麼結論？
劉連慶：用小白鼠做實驗，研究的內容主要是藥物的靶向輸運。學者主要驗證了幾個內容。首先，奈米機器人很小，不可能一個機器人去送藥，一般情況下是形成一個叢集，就像一群螞蟻一樣，現在進展證明了在活體小動物上，奈米機器人可以被叢集控制。
同時，奈米機器人叢集對實體瘤定向性殺傷作用效果顯著。不過必須要指出的是，學界並沒有對這些老鼠進行長期的跟蹤。如果在人身上使用時，奈米機器人不僅能夠殺傷癌細胞，還要對人體儘可能沒有副作用。但生物學實驗上，目前幾乎所有已發表的論文只關注主要指標，就是能不能把腫瘤消除，對老鼠其他生理狀態觀測比較少。所以，不能輕易下結論，說微納機器人比現有放療、化療好很多。只能說，在“藥物傳遞效率”這一指標上比傳統方法要好。
新京報：為什麼使用奈米機器人藥效比注射方式好？
劉連慶：靜脈注射時，很多藥被代謝掉了，能夠真正到達病處的藥量比較少。奈米機器人可以直接把藥帶到病患處，進行靶向性的治療。
奈米機器人可以透過注射的方式進入人體，用外界磁場對磁性材料製作的奈米機器人進行操作。磁的穿透作用比較好，磁對人體的傷害也比較小，比如做核磁共振就比較安全。現在的研究，大多數都是以磁性材料為載體制作用於醫療的微納機器人。
通俗來講，人們透過超聲和CT事先知道腫瘤的位置。以老鼠為例，微納機器人（鐵磁顆粒）注射進入老鼠體內後，用超聲可以看到腫瘤的位置和微納機器人的位置。工程師可以透過磁場控制微納機器人到達腫瘤的位置。這些微納機器人表面附著了一些能夠殺死腫瘤的藥物，藥物緩慢釋放，直接作用在腫瘤上。
除了附著藥物這種化學方式，還可以透過光熱效應、磁熱效應等，對奈米機器人叢集進行加熱，由於腫瘤細胞基本上高過四十攝氏度就死掉了，透過對奈米機器人區域性加熱的物理方式，提高區域溫度，也可以實現腫瘤細胞的殺傷。
應與藥物研發機構合作，研究微納機器人評價指標
新京報：微納機器人研究需要解決的問題是什麼？科幻場景還需要多久才能成為現實？
劉連慶：首先是材料的問題，一定要實現完全的生物相容。生物學家經常會問，注入老鼠體內的東西最後去哪了？會不會對人體造成長期的傷害？目前沒有確定性結論。第二個問題就是能源，如果用磁性材料，可以用磁場去控制，如果材料為了生物相容使用非磁性材料，如何供能使奈米顆粒運動？能量從哪兒來？我覺得，生物相容性和能源能量供給是最大的問題。
材料多肽可以實現生物相容性，但其無法用磁場驅動，有人想用光碟機動，但紅外光的穿透性最多隻有幾釐米，無法到達深層的組織。
微納機器人太小了，自身攜帶能源的能力也很弱，所以能源問題很關鍵。在體外能吸收光能、太陽能或者風能，它可以隨風飄動，監測並傳遞資訊，這是有可能實現的。但像科幻電影裡一樣，每一個機器人像螞蟻一樣大，又能監測環境，又能自主決策執行任務，這樣的機器人距離我們還很遠。
新京報：針對小鼠實驗的研究指標單一的情況，未來還將開展哪些方面研究？
劉連慶：微納機器人去哪兒了？是否透過體外迴圈被排出來了？這是要研究的問題。以防它們潛伏十年，等到被發現的時候很難處理。
另外，微納機器人研發者應該與新藥研發專業機構、食藥監部門取得聯絡，瞭解藥物如何進行臨床評價、哪些指標需要進入綜合評價。
新京報：目前你的實驗室還在進行哪些研究？
劉連慶：除了用磁性材料和多肽做機器人，我們還在研究用細胞做微納機器人，因為人體細胞本身是從人體內取得的，生物相容性好。另外，細胞可以從體液中獲取能源，我們要研究的是怎麼控制它。控制單個細胞比較困難，我們現在用細胞做基本材料，把它們組裝起來，稱為類生命機器人，這是未來實現微納機器人的一個新途徑。
新京報記者 張璐
編輯 樊一婧 校對 劉軍
