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专访MIT青年英雄榜李金星:如何用细菌大小的机器人治病

2019年07月05日 14:44   来源:澎湃新闻   参与互动参与互动
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  专访MIT青年英雄榜李金星:如何用细菌大小的机器人治病

  澎湃新闻见习记者 张唯

  人类已经创造出能后空翻、走平衡木的仿生机器人,但在肉眼无法观测、双手无法直接掌控的微纳尺度,人类的能力还有很大拓展空间。32岁的李金星着迷于显微镜下的世界,率先使用直径只有几微米的微型机器人进入动物体内治疗疾病。

  近期,《麻省理工科技评论》第19届全球“35岁以下科技创新35人”榜单揭晓,斯坦福大学博士后研究员李金星凭借在微纳机器人领域的创新,入围“先锋者”类别,成为上榜的8位华人之一。

  《麻省理工科技评论》提到,他设计的外观类似火箭的微型机器人,可以在活体动物的肠道中运行,并在完成任务后自行降解。

  因为构成生命的基本单元细胞的尺寸都在微米纳米尺度,微纳机器人的出现将革新人类未来的医疗方式。

  每年,全球有35位35岁以下的“世界杰出青年创新家”入选这个榜单。以往的获奖者包括脸书创始人扎克伯格,谷歌创始人Larry Page,苹果首席设计师Jony Ive,基因编辑技术主要发明人张锋等。在今年的榜单中,有人使用创新方法治疗疾病、对抗在线骚扰,也有人通过人工智能技术理解神经紊乱、创造更加宜居的城市。

  李金星来自湖北黄冈,在华中科技大学和复旦大学分别完成电子工程本科和硕士学业后,他赴美国加州大学圣地亚哥分校留学,成为了美国第一批纳米工程学博士。博士阶段,他潜心研究如何让各种细菌尺度的“小东西”动起来,设计出许多微型机器人,正是这段经历让他入围全球“35岁以下科技创新35人”榜单。目前,李金星在斯坦福大学担任博士后研究员。

  微纳机器人是生物医学领域的新课题,有着广泛的应用前景,例如靶向递药、小型手术、毒素清除、疾病检测等。微纳机器人的直径在几微米左右,相当于头发丝直径的十分之一甚至更小。

  包覆抗生素的微米镁球

  与通常意义上的机器人不同,微纳机器人不靠电池驱动——毕竟那样小尺度的电池还没有被生产出来。李金星介绍,大概有十几种方法可以让微纳机器人动起来,其中主要的两种是通过化学反应驱动和利用磁场驱动。

  镁球机器人采用的就是化学反应驱动法,它可以用于靶向递药,通过缓慢释放抗生素的方式治疗胃部金黄葡萄球菌的感染。

  李金星与合作者选取能与胃液反应、直径“仅为发丝十分之一”的镁球,在其上包覆一层可溶于胃酸的聚合物,并将抗生素混合其中,由此制成镁球机器人。

  动物实验中,他们在患有胃感染的小鼠胃部置入重两毫克、数量约为十万个的镁球机器人。进入胃部之后,镁与胃酸通过化学反应产生氢气泡,推动镁球机器人运动。由于镁球外层的聚合物具有疏水性,机器人更容易吸附在胃壁上。吸附之后,聚合物在胃壁上逐渐溶解,缓慢释放出混合在其中的抗生素来治疗感染。

  李金星介绍,动物实验结果显示,“使用镁球机器人递送抗生素的消炎效率比直接服用抗生素高出六倍以上”。

  他认为,这类靶向递药机器人的药效更长,既可以增加治愈率,又可以降低药物的服用频率,帮助减少抗生素滥用现象。

  看到细如发丝的机器人

  在另一项工作中,李金星与合作者设计出了能够在微纳尺度下“游泳”的“自由泳机器人”。

  这种机器人是一个微型的多节磁性颗粒,不同部位硬度不同。在磁场作用下,机器人的两个“手臂”会交替向前运动,从而产生类似人类游泳的形态。李金星表示,“自由泳机器人”在运动过程中产生的涡旋能够牢牢吸住单个细胞,从而进行单细胞的操作,将人类的能力拓展到肉眼不可见的微纳米尺度。

王者彩票  目前,大部分微纳机器人还在动物实验阶段,谈及在临床医疗领域落地的前景,李金星提到两个难题。

  难题之一是解决微纳机器人“在真正的身体组织中穿行的问题”。

王者彩票  李金星介绍,在肌肉等组织中穿行需要非常强大的穿透力或者采用一些其他特殊方式慢慢运动,这一点,现阶段的微纳机器人还很难做到。当前的机器人主要在肠胃、眼睛等更接近于液体的环境中工作。

  困扰学界的第二个难题是——如何看到进入体内的微纳机器人。

  微纳机器人无法通过肉眼直接观测,为了控制其在身体内的运动,以便精准给药或者微创手术,需要通过技术手段看到它们。李金星说,“这不仅依赖于微纳机器人领域,也依赖于成像领域的发展。”

  他认为,核磁共振成像技术可能是一个方向,“比如用核磁技术把一堆纳米机器人驱动到肿瘤所在的部位,再施加交变磁场,让纳米机器人发热,把癌细胞烧死”。

  冲浪板与博士帽

  在李金星的个人主页上,身穿博士服的他拿着一块冲浪板,背后是美国圣地亚哥的沙滩和大海。他告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者,运动是他缓解科研压力的主要方式。

  近来,青年科研人员的科研压力受到广泛关注,《自然》、《科学》等顶级学术杂志的新闻栏目相继刊登了系列报道。

  采访中,李金星也谈到,进入各路“牛人”集聚的斯坦福,他感受到前所未有的压力。“和很多牛人在一起,会不断发现自己的无知,开始焦虑和抑郁。这种自我怀疑的另外一种体现,则是很多人都患有‘冒名顶替综合症’——怀疑自己取得的成果和认可,是否真的是凭借自己的实力获得的。”

  他认为,应对科研压力,锻炼身体很重要,要学会用运动调整自己的身体,来主动控制自己的心理状态,进而去享受科研和生活本身,“如果你觉得科研这条路真的很难,加入企业或者自己创业也许能让你更好的发挥自己并体会到生活的乐趣”。

  李金星称自己是一个“学渣”。本科阶段,他的成绩在班上处于中下游,因而“只能通过考研到复旦读硕士”。不过,他在体育领域颇有天赋,尤其擅长200米跑,是大学中的运动健将。

  “博士期间,我基本每周末都在海边冲浪、踢球。运动既能缓解学术压力,也帮助我认识到学术上的合作伙伴。”

【责任编辑:李明阳】
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