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2021年9月10-13日，2021世界機器人大會（WRC）在京召開。
在12日全天的未來峰會上，中國科學院沈陽自動化研究室主任、機器人學國家重點實驗室副主任劉連慶，主持召開了人機共融未來時代的 “新前景”、“新風向”兩項論壇，并重點分享了微納機器人和類生命機器人的研究進展與發展趨勢。
劉連慶主任負責機器人學國家重點實驗室微納機器人和類生命系統課題組，從事微納尺度下機器人的感知、驅動和控制方法研究，推動生物醫學應用；以及生命系統和機電系統的融合方法、類生命體的建模和控制技術，推動新一代機器人系統創新突破。
在我們所處的宏觀世界中有多種機器人，比如各種工業機器人、服務機器人、特種機器人等。而在微觀世界中進行探索和操作則需要一類“小”機器人，它們能在微米尺度甚至納米尺度進行操作，這就是微納米機器人。
由于微型機器人尺寸小，所以它可以進入比較狹小的空間，比如微流控管道，生物芯片，甚至生物體血管內。通過控制微型機器人的運動，可指定它到一個位置進行探測。
在對話中，劉連慶主任講到，現在的微納機器人面臨的主要問題是如何找到合適的材料和驅動能源。大的趨勢是逐漸向活性、完全生物兼容性、生物可降解的方向發展，比如人體寄生細菌、心肌細胞或者骨骼肌細胞。現在劉老師團隊正在研究用趨光性藻類細菌做機器人，也在考慮通過人體自然腔道的路徑推動高效治療。
交談中，劉連慶主任流露出一個真切的態度：科技工程要有抓手。類生命器件“抓”來了物種進化億萬年的生存能力，微納機器人“抓”來了依附人體的寄生細菌。生命課題不僅要虛遠處遙望，也要向實處探尋。生命體豐富，人體奧秘自有章法，要在創新中發現并發揮其價值，催動現代效能。
本次世界機器人大會上，雷鋒網（雷鋒網）有機會與劉連慶老師親面對話，以下為對話實錄。
Q：老師，您是長期從事微納機器人學（微型機器人和納米機器人）和類生命器件方向的研究，在研究領域，納米機器人有多大?
劉連慶：納米機器人的尺寸，學術界并沒有嚴格定義，通常指機器人至少在一個維度達到了納米尺度。這里說的納米尺度并不是要求在1納米(10的負9次方米)以下，可以在10納米到100納米之間。比如一個納米機器很長，但很細，直徑不到100納米，也可以稱為納米機器人。也有學者認為納米機器人只要本體尺寸小于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。
Q：微納機器人學和類生命機器人現在成熟度如何，達到了什么精度？
劉連慶：微納機器人已經在實驗室階段了，類生命機器人程度更低一點。具體來說，微納機器人已經在老鼠身上做實驗了，類生命機器人現在還處在實驗室探索階段。
我舉個例子，現在我們能夠對微納機器人進行群體控制，從而進行靶向藥物的傳遞。現階段能夠在老鼠身上做實驗，證明了在活體小動物上，納米機器人可以被集群控制。同時，納米機器人集群對實體瘤定向性殺傷作用效果顯著。
不過必須要指出的是，學界并沒有對這些老鼠進行長期的跟蹤。如果在人身上使用時，納米機器人不僅能夠殺傷癌細胞，還要對人體盡可能沒有副作用。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。
類生命機器人跟動物和人體實驗比較遠。我們總是說仿生，仿生更側重形態模仿和功能模仿，比如比較流行的四足機器人、仿蝙蝠機器人，都是比對著動物結構和功能發展而來，整個機器人的本體都是基于非生命體材料構建的。但類生命機器人不是仿生的概念，它是把生物進化的功能直接拿出來，集成在機器人上來用。
核心是將生命系統與機電系統在分子、細胞和組織尺度上進行深度有機的物理和信息融合，形成一種新型的基于生命功能機制的機器人系統，從而使機器人能夠兼具生命系統的優勢和傳統機電系統的優點。
我舉個例子，響尾蛇能感受紅外線，它能感受紅外線并不是依靠眼睛，它是有一個叫TRPA1的離子通道，我們就把離子通道拿出來，脫離響尾蛇而轉染到一個模式細胞上，從而用這個細胞去感受紅外線。
狗也一樣，它有很好的嗅覺，我們搞清楚它的嗅覺的離子通道和基本原理，再把這些分子機理轉染到我們的模式里，相當于我們做了一個人工的類生命器件，把狗的嗅覺能力在人工器件上得到復現。
我們做出了一個紅外可見光的感知的器件，能感受紅外線，靈敏度比響尾蛇還差很多，但這是走出的第一步。
Q：您之前說到人機共融這方面，第一步先是人機協同、第二步組織融合、第三步是細胞融合，這就是剛才您講到的的類生命器件吧？
劉連慶：對，人機共融分三塊。一個是獨立個體的互助共融，比如有個工業協作機器人，機器和我是完全分開的物理體；還有一種是穿在身上的外骨骼機器人，它是身機同體的互補共融。比如我力量沒那么大，但是外部骨骼給我一個力量，我就能舉起來重物了。
還有一個是同生共體，簡單的例子，比如說我想讓這些電子器件跟身體長在一起，我一進屋，只要我就這么一想，燈就亮了。還比如說一個色盲的人，他做了一個傳感器，上面帶個相機，相機一拍照，他就能把這些顏色信息跟腦子連起來，直接傳到大腦里，這樣他就能“看”到紫外線了，說是看到，其實是探測到了。
Q：在昨天高小榕教授談到，他現在對有創的腦機接口還是很謹慎的，您剛才談到同生共體，這算是一種侵入式的機器人研究嗎，現在的研究程度如何？
劉連慶：我剛才說的半人半機器那是更長遠的事了，比如什么時候能做出一個機器人，讓它像響尾蛇一樣感受到紅外，這太難了。我們可以先在人體外做測試，直接把生物在大自然億萬年中進化的功能在體外得以復現，這是一條路。
Q：目前國內外微納機器人的研究進展如何?
劉連慶：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。
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。現在大家都在爭著往大動物上做，從大動物到靈長類再到人。但是能做靈長類實驗需要經過嚴格的審批，全國有資質的單位并不多。“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。
Q：那就是說微納機器人主要往醫學方向發展吧？
劉連慶：對，微納機器人現在最重要的就是醫學方向。今年上海交通大學攜手《科學》雜志發布的“全世界最前沿的125個科學問題”中，人工智能領域有一個問題：“可注射的抗病納米機器人會成為現實嗎？”實際上，醫學腫瘤治療是現在大家最感興趣的方向。
Q：微納機器人真正落實到就是說到臨床上，您覺得可能還要多少年？
劉連慶：這個挺難估計的，但是我覺得在大動物身上做實驗5年之內肯定可以。目前，用大動物做實驗準入門檻相對比較低，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，需要進行嚴格審批。盡管技術是相通的，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
Q：現在科學家研究納米機器人用于醫學上的癌癥治療，納米機器人可以理解為靶向藥嗎?
劉連慶：我覺得還不全面。研究納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，但是納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。納米機器人可以自己組織起來形成一個平面，類似于創可貼，貼在傷口上。此時它的作用就不是輸送藥，而是進行傷口的愈合。
隨著今后的發展，科幻電影中的場景可能成真。比如納米機器人有了執行能力，人體心腦血管有阻塞的地方，它可能相當于挖掘工或者搬運工，有手有爪，能抓住和殺死細胞，把阻塞部位疏通，所以把納米機器人理解為靶向藥并不全面。
雖然目前納米機器人主要應用于醫療衛生、癌癥治療，但未來，它也可以像納米灰塵一樣，攜帶傳感裝置收集信號，可能對國防、環境監測發揮作用。
Q：老師您認為，在整個微納機器人領域，難題是什么？
劉連慶：現在的納米機器人各式各樣的材料都有，但大的趨勢是逐漸向生物可降解、完全生物兼容性的材料方向發展。因為要進入人體的納米機器人，其材料一定要有生物兼容性。
目前使用最多的是磁性材料，但其生物兼容性稍微差一點兒。現在被研究的具有生物兼容性的材料很多，比較有代表性的是可降解的水凝膠或者多肽。但具有生物兼容性的材料也存在一個問題。舉例來說，使用磁性材料，納米機器人進到人體之后，人們可以通過外磁場對其進行控制。如果換成生物兼容性材料，能源從哪兒來、怎么控制它就變成了新的問題。
Q：老師您現在的一些課題項目都有哪些突破口？
劉連慶：我們現在在研究基于生物細胞和細菌的這種微納機器人。人身上與很多種寄生的細菌，一是它毒性不大，而且是生物兼容的；二它能養活自己，從血液或者體液里等吸取能量。
比如我們用藻類細菌做機器人，因為它有趨光性，就可以通過導進光的方式實現它的控制。當然我們還會用細胞做機器人，比如從人身上取他自己的心肌細胞或者骨骼肌細胞，因為這個細胞和人體本來就是生物兼容的，還能代謝掉或者自己分泌成人體可以吸收的物質。
但是我現在在想，如果微納機器人進入血液里治療腫瘤比較難，走自然腔道可能會更快一點，就像一個超小膠囊。
所以我們剛才說到類生命機器人，指的就是要用活性材料來做機器人，而不是用無機材料，不是用鐵、磁粉。那些都是死材料，我們要用活材料，用細胞、用細菌做微納機器人的本體，我想這可能是生物兼容性的一個非常好的解決方案，第二對能源的供給也可能是一個比較好的解決方案。
Q：在微納機器人領域，接下來這幾年，您會有一個什么樣的長遠目標，或者是想要實現什么樣的一個應用效率？
劉連慶：第一個就是大動物實驗，這個是要做的。第二個我們想和國內外的一些醫藥企業合作，比如醫藥管理局。因為我們不能只看微納機器人這一個綜合指標，它進入人體把腫瘤殺傷，但它有沒有副作用？現在的實驗老鼠、豬、狗也不能顯示準確的生理反應，但是從藥物開發的角度仍然有很長的路要走，所以微納機器人領域還要建立一個系統性的評價體系。
現在微納機器人的主要指標是藥物輸送效率，治愈率，但是副作用和周邊影響如何評價，我覺得這不僅是臨床醫生和我們搞工程的人就能做的，而是要和藥學，甚至是藥物審批管理結合起來，建立一個綜合治療體系。現在都是跟醫生合作，還在一個初始階段。
Q：您是第幾次參加世界機器人大會，感覺怎么樣，大會對您的研究領域有沒有推進作用？
劉連慶：每次都來。我覺得世界機器人像機器人領域的奧林匹克競賽，它不是一個純學術會議。這是一個擴寬知識面的地方，方便大家了解整個機器人領域的前沿動態、最新產品。
我覺得世界機器人大會的定位挺不錯的，因為學術上有ICRA、中國機器人學術年會那種純學術的會議，還缺少一個能夠面向公眾，既有教育目的，又有信息傳播能力，還能了解國內外學術及產業發展趨勢的會議。這個大會不僅有論壇、大賽，還有企業展覽，方便大家交很多朋友，這一點意義挺重要的。
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