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專訪mit青年英雄榜李金星:如何用細菌大小的機器人治病
作者: 佚名 時間:2019-7-6文章來源:百度訪問量:1134

人類已經創造出能后空翻、走平衡木的仿生機器人,但在肉眼無法觀測、雙手無法直接掌控的微納尺度,人類的能力還有很大拓展空間。32歲的李金星著迷于顯微鏡下的世界,率先使用直徑只有幾微米的微型機器人進入動物體內治療疾病。

近期,《麻省理工科技評論》第19屆全球“35歲以下科技創新35人”榜單揭曉,斯坦福大學博士后研究員李金星憑借在微納機器人領域的創新,入圍“先鋒者”類別,成為上榜的8位華人之一。

《麻省理工科技評論》提到,他設計的外觀類似火箭的微型機器人,可以在活體動物的腸道中運行,并在完成任務后自行降解。

因為構成生命的基本單元細胞的尺寸都在微米納米尺度,微納機器人的出現將革新人類未來的醫療方式。

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微型火箭機器人在腸液中運動(00:13)

李金星

每年,全球有35位35歲以下的“世界杰出青年創新家”入選這個榜單。以往的獲獎者包括臉書創始人扎克伯格,谷歌創始人larry page,蘋果首席設計師jony ive,基因編輯技術主要發明人張鋒等。在今年的榜單中,有人使用創新方法治療疾病、對抗在線騷擾,也有人通過人工智能技術理解神經紊亂、創造更加宜居的城市。

李金星來自湖北黃岡,在華中科技大學和復旦大學分別完成電子工程本科和碩士學業后,他赴美國加州大學圣地亞哥分校留學,成為了美國第一批納米工程學博士。博士階段,他潛心研究如何讓各種細菌尺度的“小東西”動起來,設計出許多微型機器人,正是這段經歷讓他入圍全球“35歲以下科技創新35人”榜單。目前,李金星在斯坦福大學擔任博士后研究員。

微納機器人是生物醫學領域的新課題,有著廣泛的應用前景,例如靶向遞藥、小型手術、毒素清除、疾病檢測等。微納機器人的直徑在幾微米左右,相當于頭發絲直徑的十分之一甚至更小。

包覆抗生素的微米鎂球

與通常意義上的機器人不同,微納機器人不靠電池驅動——畢竟那樣小尺度的電池還沒有被生產出來。李金星介紹,大概有十幾種方法可以讓微納機器人動起來,其中主要的兩種是通過化學反應驅動和利用磁場驅動。

鎂球機器人采用的就是化學反應驅動法,它可以用于靶向遞藥,通過緩慢釋放抗生素的方式治療胃部金黃葡萄球菌的感染。

李金星與合作者選取能與胃液反應、直徑“僅為發絲十分之一”的鎂球,在其上包覆一層可溶于胃酸的聚合物,并將抗生素混合其中,由此制成鎂球機器人。

動物實驗中,他們在患有胃感染的小鼠胃部置入重兩毫克、數量約為十萬個的鎂球機器人。進入胃部之后,鎂與胃酸通過化學反應產生氫氣泡,推動鎂球機器人運動。由于鎂球外層的聚合物具有疏水性,機器人更容易吸附在胃壁上。吸附之后,聚合物在胃壁上逐漸溶解,緩慢釋放出混合在其中的抗生素來治療感染。

裝載有抗生素的鎂球機器人。

鎂球機器人(00:27)

李金星介紹,動物實驗結果顯示,“使用鎂球機器人遞送抗生素的消炎效率比直接服用抗生素高出六倍以上”。

他認為,這類靶向遞藥機器人的藥效更長,既可以增加治愈率,又可以降低藥物的服用頻率,幫助減少抗生素濫用現象。

看到細如發絲的機器人

在另一項工作中,李金星與合作者設計出了能夠在微納尺度下“游泳”的“自由泳機器人”。

這種機器人是一個微型的多節磁性顆粒,不同部位硬度不同。在磁場作用下,機器人的兩個“手臂”會交替向前運動,從而產生類似人類游泳的形態。李金星表示,“自由泳機器人”在運動過程中產生的渦旋能夠牢牢吸住單個細胞,從而進行單細胞的操作,將人類的能力拓展到肉眼不可見的微納米尺度。

目前,大部分微納機器人還在動物實驗階段,談及在臨床醫療領域落地的前景,李金星提到兩個難題。

難題之一是解決微納機器人“在真正的身體組織中穿行的問題”。

李金星介紹,在肌肉等組織中穿行需要非常強大的穿透力或者采用一些其他特殊方式慢慢運動,這一點,現階段的微納機器人還很難做到。當前的機器人主要在腸胃、眼睛等更接近于液體的環境中工作。

困擾學界的第二個難題是——如何看到進入體內的微納機器人。

微納機器人無法通過肉眼直接觀測,為了控制其在身體內的運動,以便精準給藥或者微創手術,需要通過技術手段看到它們。李金星說,“這不僅依賴于微納機器人領域,也依賴于成像領域的發展!

他認為,核磁共振成像技術可能是一個方向,“比如用核磁技術把一堆納米機器人驅動到腫瘤所在的部位,再施加交變磁場,讓納米機器人發熱,把癌細胞燒死”。

沖浪板與博士帽

在李金星的個人主頁上,身穿博士服的他拿著一塊沖浪板,背后是美國圣地亞哥的沙灘和大海。他告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者,運動是他緩解科研壓力的主要方式。

近來,青年科研人員的科研壓力受到廣泛關注,《自然》、《科學》等頂級學術雜志的新聞欄目相繼刊登了系列報道。

采訪中,李金星也談到,進入各路“牛人”集聚的斯坦福,他感受到前所未有的壓力!昂秃芏嗯H嗽谝黄,會不斷發現自己的無知,開始焦慮和抑郁。這種自我懷疑的另外一種體現,則是很多人都患有‘冒名頂替綜合癥’——懷疑自己取得的成果和認可,是否真的是憑借自己的實力獲得的!

他認為,應對科研壓力,鍛煉身體很重要,要學會用運動調整自己的身體,來主動控制自己的心理狀態,進而去享受科研和生活本身,“如果你覺得科研這條路真的很難,加入企業或者自己創業也許能讓你更好的發揮自己并體會到生活的樂趣”。

李金星稱自己是一個“學渣”。本科階段,他的成績在班上處于中下游,因而“只能通過考研到復旦讀碩士”。不過,他在體育領域頗有天賦,尤其擅長200米跑,是大學中的運動健將。

“博士期間,我基本每周末都在海邊沖浪、踢球。運動既能緩解學術壓力,也幫助我認識到學術上的合作伙伴!

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