毫米級微型機器人有望進(jìn)入人體進(jìn)行治療

編譯 Halcyon

近日，哈佛大學(xué)的一個研究團隊在機器人領(lǐng)域取得了重大突破，借助全新的制造技術(shù)創(chuàng)造出一個微型蜘蛛機器人，今后有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。這些“蜘蛛”有一天會爬進(jìn)你的體內(nèi)，幫助修復(fù)組織或破壞腫瘤。該團隊的創(chuàng)新設(shè)計不僅有效減少侵入性外科手術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出重大改變，還可以從工業(yè)設(shè)施的維護(hù)到拯救災(zāi)民等各方面產(chǎn)生影響。

毫米級機器人：里程碑式的一步

到目前為止，大多數(shù)先進(jìn)的小型機器人都采用某種特定的模式：它們均為厘米級機器人，通常只有一個自由度，這意味著它們只能促成一種特定的運動形狀或類型的變化。由哈佛大學(xué)威斯生物啟發(fā)工程研究所（以下簡稱威斯研究所）、John A.Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）和波士頓大學(xué)的科學(xué)家聯(lián)合研發(fā)的這款新型機器人并非如此。新型蜘蛛機器人為毫米級別，且由柔性材料制成，易于借助氣動和液壓動力移動，因此，該機器人具有前所未有的18個自由度。

相比其他同類產(chǎn)品，此款蜘蛛機器人更加小巧、靈活——對研發(fā)能在人體內(nèi)進(jìn)行相關(guān)操作的機器人的過程而言，這無疑是里程碑式的一步。

工程師表示，新技術(shù)M O R P H是Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic/Hydraulic的首字母縮寫。使用這項全新的技術(shù)制造蜘蛛或其他機器人生物的過程，主要涉及3種不同的技術(shù)。首先，利用微型激光切割出12層材料，相互粘合形成蜘蛛的身體和手臂。其次，借助軟光刻技術(shù)在這些層內(nèi)繪制了一個復(fù)雜的微觀通道網(wǎng)絡(luò)；在感知到氣動或液壓動力時，這些微型“脈絡(luò)”可促成蜘蛛的移動。最后，為了達(dá)到其最終形狀，這些微流體通道中的一些通過可固化樹脂加壓。當(dāng)用來自外部的UV光照射時，樹脂硬化并使較軟的層永久地彎曲成所需的形狀。

微型機器人有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，進(jìn)入體內(nèi)幫助修復(fù)組織或破壞腫瘤。

根據(jù)該研究的作者之一希拉·魯索（Sheila Russo）的說法，他們的“小怪物”蜘蛛可以改變自身的結(jié)構(gòu)，可移動，甚至可以改變顏色。此毫米級蜘蛛機器人外形色彩多樣，其肢體能夠借助水或者酒精來驅(qū)動并模擬澳大利亞孔雀蜘蛛的表現(xiàn)。

雖然對這款機器人的表現(xiàn)很有自信，波士頓大學(xué)的助理教授兼創(chuàng)造者之一的Tommaso Ranzani表示，它目前的形式并非針對醫(yī)療應(yīng)用而設(shè)計，更像是一種能力的展示。他在郵件中提到：我們相信軟體機器人在減少風(fēng)險、進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)任務(wù)方面有著巨大的潛力。或許在將來的某一天，這些軟體機器人會替代傳統(tǒng)手術(shù)工具，一躍成為“操縱、與身體最脆弱組織（如靜脈、動脈甚至神經(jīng)）相互作用”的理想選擇。它們還可以服用藥物或做或組織檢查。

但Ranzani認(rèn)為類似的微型機器人也有可能對環(huán)境有所幫助，可用于維護(hù)工業(yè)設(shè)施，甚至協(xié)助太空探索。他表示：“‘蜘蛛機器人’是軟體機器人研發(fā)道路上的第一項成果。我們相信它將會推進(jìn)新一代微型軟體機器人的發(fā)展，新一代機器人將借助其微型、可變形、彈性的外觀，探索高度非結(jié)構(gòu)化、復(fù)雜的環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于人體內(nèi)部對組織進(jìn)行安全、精細(xì)的操作，以執(zhí)行搜索、搶救等醫(yī)療任務(wù)。”

想象一下，未來某一天，一大群機器人在清理火箭發(fā)動機并固定微型飛行器，或在被地震摧毀的建筑物中尋找幸存者并提供急救——甚至只是進(jìn)行一次清理以清除人體內(nèi)堵塞的動脈。多么神奇的畫面啊，相信大家對這款蜘蛛機器人的期待值已經(jīng)爆表了。

未來醫(yī)療：微型機器人助力精準(zhǔn)醫(yī)療

這可能是一個奇怪的場景：2006年10月一個寒冷的晚上，一群工程專業(yè)學(xué)生和他們的教授Sylvain Martel聚集在教室中觀看核磁共振機上的一頭被麻醉過的跛了的豬，大家屏住呼吸，最后教室響起熱烈的掌聲……

一名醫(yī)院技術(shù)員通過導(dǎo)管將圓珠筆珠那么大的鋼珠植入豬的頸動脈中，幾分鐘后，他們看到電腦屏幕上的鋼珠突然動起來。這正是該團隊想看到的結(jié)果。這是人類第一次將物體以無線控制方式植入生物的血管，對于微型機器人研究界，這是歷史性的一步，與人類首次登上月球不相上下。

現(xiàn)在世界上的各個研究機構(gòu)正在努力將這一小步發(fā)展得更大，有朝一日將能夠同時植入生物的大動脈和小血管，從此告別需要動用侵入性外科手術(shù)的時代。

Martel醫(yī)生寫道：微型機器人在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的首個壯舉將是治療癌癥，機器人可以直接將藥品輸入到癌細(xì)胞中，其只會擊中受損細(xì)胞，并不會傷害健康細(xì)胞。

不過發(fā)展的前途雖然光明，其挑戰(zhàn)卻是巨大的。其中包含很多物理問題，比如如何讓一定尺寸的機器人穿過布滿大動脈和小血管的黏性流體；還有生物問題，比如要確保機器人材料無毒并且能夠被生物分解。

多倫多大學(xué)機械工程教授Eric Diller說道：“這些機器人需要制作得非常小，但并不能簡單地按照比例縮小現(xiàn)有的機器人。”研究人員從自然中尋求到了靈感，他們用一種類似細(xì)菌的仿生設(shè)計制作微型機器人。

他表示，微型物體的生存環(huán)境與一般物體很不相同，如果一個微型物體在水中游動，水會看起來非常深，所以要將游動的物體制作得與眾不同。后來想到了細(xì)菌，它讓微型物體身上附帶鞭毛蟲，這與一條魚在容器里游泳是很不一樣的。

2018年年初，Diller的團隊有了一項突破：他們制作出了1毫米的機器人。此款機器人有兩只手臂，并且能夠通過磁場控制，因此它能夠在生物體內(nèi)搭橋。Diller表示微型機器人不只是在運輸藥物方面大有作為，它們也能修復(fù)我們的血管和器官。

在伊利諾伊大學(xué)香檳分校里，畢業(yè)生Caroline Cvetkovic正在致力于一個相似的項目：用肌肉驅(qū)使的行走機器人。她的團隊利用心臟細(xì)胞電脈沖來駕馭小型機器人，機器人的脊椎由水凝膠制作而成。

Cvetkovic構(gòu)想了一個“能夠幫助運輸藥物、智能植入血管、監(jiān)測生物體內(nèi)環(huán)境”的機器人醫(yī)生。她說道：“我們的系統(tǒng)靈感來源于哺乳動物的肌肉、腱、骨系統(tǒng)。它不僅僅與生理學(xué)相關(guān)，它讓我們模仿大自然系統(tǒng)的能量生產(chǎn)方式。例如，在人體內(nèi)，當(dāng)肌肉發(fā)出動作，力量會通過連接腱傳遞到骨頭。而在我們的生物機器人中，當(dāng)肌肉細(xì)胞做出反應(yīng)（通常是通過電擊），力量會通過一種特殊的連接體傳遞到肢體。這種連接體由水凝膠構(gòu)成，因此它能夠靈活彎曲。這樣一來，機器人能夠移動肢體進(jìn)行行走。”

Robert Woods是一名電子工程師，也是哈佛大學(xué)微型機器人實驗室的創(chuàng)始人，他對微型機器人的未來信心滿滿。他致力于制作一次性的機器人蜜蜂，這種蜜蜂身懷絕技，它們能夠為作物授粉、進(jìn)行搜救工作，還能排查危險材料。“如果你想制作能飛的機器人，自然中各種會飛的生物能給你很多靈感。但我們不能簡單地復(fù)制自然，我們在努力理解各種生物的動作、行為，并把它運用于我們的研究項目。”

不久前，由歐洲和以色列科學(xué)家組成的某團隊傳來喜訊：他們的扇貝機器人制作已有了巨大的進(jìn)展。扇貝機器人非常之小，只有零點幾毫米，因此它能夠在人的眼球中游動。而該團隊真正的創(chuàng)舉是此款機器人能夠不借助外力自動游動。雖然像其他微型機器人一樣，它需要由外部磁場控制，但是力量只要一輸入，它就能自動游動，無需其他力量牽引。

回到1949年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者費曼在演講中說道：“如果你能吞下一名外科醫(yī)生，那么手術(shù)將變得有趣而簡單。但是我們怎樣才能制作出這樣微小的外科醫(yī)生呢？這是我的夢想，我把它留給你們來實現(xiàn)。”

幾十年過去了，科學(xué)家們一直在為此奮斗。夢想已經(jīng)不遙遠(yuǎn)，而且更為奇妙，人們并不會簡單粗暴地吞下一名外科醫(yī)生，而是會直接植入微型機器人醫(yī)生。現(xiàn)在的機器人比費曼描述得要微型很多，也許將來機器人的微型程度還會超乎我們的想象。