外科手術革命?中國科學家打造微型機器人,多種姿勢隨意切換,或實現體內治療

2021-02-23 環球科學

撰文 | 李曉慧

編輯 | 王妍琳 

1966年，一部電影《奇異的旅程》獲得了奧斯卡獎，它講述了5名醫生將自己縮小，進入患者體內，進行手術治療的故事。這個在50多年前看似天馬行空的想像，現在科學家們正在研究如何將其變為現實，當然不是將人縮小，而是讓微型機器人進入人體內，進行各種操作和治療。

「我們研究的目的就是瞄準了未來的創傷很小或者微創手術，」德國馬普智能系統研究所的研究人員胡文琪說。不過如何穿越人體內複雜的各種環境，對僅有毫米甚至微米大小的機器人來說是非常艱巨的任務。「我們現在做的微型機器人，展現了在各種環境、各種表面良好的運動能力，這使得它具備了適應人體內部複雜環境的潛力。」

胡文琪與他的團隊設計製作的微型機器人外表看起來非常普通，就像一塊黑色的超微型「創可貼」，長度和寬度分別僅為3.7毫米和1.5毫米，其製作工藝看上去也簡單的如女生自製面膜。然而，在磁場控制下，它可以完成各種規定動作，在液體環境中遊泳，在固體環境中或走、或爬、或翻滾、或跳躍，在管道中穿梭，它甚至可以撿起一個小小的物品，並將其送至指定位置，這樣的運動能力是此前的微型機器人所不具備的。「此前的微型機器人大多能夠完成一至兩種動作，而我們的機器人可以完成七種動作。」胡文琪說。近期，胡文琪作為第一作者，在《自然》期刊中，發表了其研究成果。

在胡文琪所在的德國馬普智能系統研究所，從大自然的生物中找尋解決問題的靈感是常有的事情，有的人觀察貓、狗、蝙蝠等體型偏大的動物，有人從小小的細菌運動中獲取靈感。胡文琪此次對微型機器人的設計也基於對各種生物運動的觀察和研究。

當小小的微型機器人完全浸沒在水中時，它的泳姿與水母非常相似；在規則的表面上，機器人可以快速的滾動，就像毛毛蟲在逃離它的捕食者；當處於不規則表面時，機器人又會模擬尺蠖的步伐，先用前端支地，調整角度後拉動後端前移，再用後端支地，重新舒展前端；在狹小的管道中，機器人會像毛毛蟲一樣波形振動，穿梭而過；在遇到障礙物時，機器人像線蟲一樣形變跳躍。

對生物運動的模擬，讓外表樸素的機器人獲得了在不同介質中的超能力。「以前的微型機器人大多是在一種介質中，比如在水中。」然而看似平常的水面，對於微型機器人來說卻有如泰山壓頂。「液體表面具有強大的張力，很多微型機器人一旦到了界面，就『犧牲』了。」在不同的界面運動轉換，是這個小小機器人獨具一格的特點。

僅從物理性質來說，人體內除了固液氣及其界面這些環境之外，還有更多複雜的環境，比如胃中的顆粒狀介質。在接下來的工作中，胡文琪會繼續從動物中獲取靈感，實現更複雜環境的運動能力。

「我們做微型柔性機器人，瞄準的更遠期目標是創傷很小或者微創手術。」胡文琪說。現在，很多手術依然需要開比較大的創口，比如腫瘤的切除術，不僅給人體造成較大的影響，而且術後恢復也是一個漫長的過程。「我們團隊所設想的是，未來可能不需要這樣了，手術不可能永遠這樣下去，要有所發展，」胡文琪說，「我們希望讓這種小型化的機器人通過人體的一個很小的開口進入，比如在心血管系統中，可以直接注射到血管裡面，讓它直接作用到希望的位置，進行治療。」

目前，很多美國、歐洲的醫生已經開始對此產生興趣。他們所想到最簡單，也是最早能夠現實使用的是藥物的遞送，「比如消化道醫生，他們希望將這個小機器人做成像海綿一樣的結構，也就是在我們現在的基礎上，有一些吸附能力，將藥物吸進去，通過運動，進入到胃裡或者消化道。」從現在醫學角度來說，藥物需要經過體內的層層關卡才能夠達到靶向位置，在此過程中藥物劑量產生大幅度衰減，使得最終到達靶向位置的藥物劑量不足，無法實現治療效果。「未來可以讓機器人到達指定的位置，然後將藥物釋放出來。」胡文琪說。

模擬在胃部的運動

而且，我們的機器人可以通過傳統的醫學影像設備進行觀察，這樣可以跟蹤機器人在人體內部所處的位置和動作，並對其進行相應控制。「由於核磁共振設備提供了磁場，我們的機器人也是磁驅的，所以我們暢想的未來是，當機器人進入人體後，核磁共振設備不僅可以用於影像學，它同時還可以做一些治療，這是我們下一步要做的工作。」

每個手術都有固定的流程和固定的需要，「我們希望這個機器人可以根據每種疾病的情況，對治療流程進行優化，讓治療效果更好，讓病人的痛苦更小。」胡文琪說。

「我們現在還沒有過多的研究製作工藝，而是將精力更多的放在運動能力的研究上。」胡文琪說。目前，胡文琪團隊所研製的微型機器人使用的材料是具有生物可容性的矽橡膠，內置平均直徑5微米的磁性釹鐵硼微粒。目前，它的製作過程有點類似於女生自製的面膜。製作之後的微型機器人長3.7毫米，寬1.5毫米，厚度約為185微米。

該款微型機器人的製作過程

「下一步我們想把這個機器人做的更小一些，做成亞毫米、幾百微米。」胡文琪說，「同時，我們也在尋找其它的軟性材料，類似於海藻膠這樣的提取自動物、植物的材料是下一步我們計劃使用的。」

未來，胡文琪和他的團隊不僅將研究如何將微型機器人做的越來越小，他們還希望微型機器人在完成它的使命之後可以實現自動降解。到那時，或許就真的可以實現人體內的「奇異旅程」了。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/nature25443

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