形似創(chuàng)可貼的機(jī)器人，可在磁場(chǎng)控制下在人體內(nèi)移動(dòng)。
1966 年，一部電影《奇異的旅程》獲得了奧斯卡獎(jiǎng)，它講述了 5 名醫(yī)生將自己縮小，進(jìn)入患者體內(nèi)，進(jìn)行手術(shù)治療的故事。這個(gè)在 50 多年前看似天馬行空的想象，現(xiàn)在科學(xué)家們正在研究如何將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，當(dāng)然不是將人縮小，而是讓微型機(jī)器人進(jìn)入人體內(nèi)，進(jìn)行各種操作和治療。
“我們研究的目的就是瞄準(zhǔn)了未來(lái)的創(chuàng)傷很小或者微創(chuàng)手術(shù)，”德國(guó)馬普智能系統(tǒng)研究所的研究人員胡文琪說。不過如何穿越人體內(nèi)復(fù)雜的各種環(huán)境，對(duì)僅有毫米甚至微米大小的機(jī)器人來(lái)說是非常艱巨的任務(wù)。“我們現(xiàn)在做的微型機(jī)器人，展現(xiàn)了在各種環(huán)境、各種表面良好的運(yùn)動(dòng)能力，這使得它具備了適應(yīng)人體內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境的潛力。”
胡文琪與他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作的微型機(jī)器人外表看起來(lái)非常普通，就像一塊黑色的超微型“創(chuàng)可貼”，長(zhǎng)度和寬度分別僅為 3.7 毫米和 1.5 毫米，其制作工藝看上去也簡(jiǎn)單的如女生自制面膜。然而，在磁場(chǎng)控制下，它可以完成各種規(guī)定動(dòng)作，在液體環(huán)境中游泳，在固體環(huán)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(gè)小小的物品，并將其送至指定位置，這樣的運(yùn)動(dòng)能力是此前的微型機(jī)器人所不具備的。“此前的微型機(jī)器人大多能夠完成一至兩種動(dòng)作，而我們的機(jī)器人可以完成七種動(dòng)作。”胡文琪說。近期，胡文琪作為第一作者，在《自然》期刊中，發(fā)表了其研究成果。
源自大自然的靈感
在胡文琪所在的德國(guó)馬普智能系統(tǒng)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(dòng)物，有人從小小的細(xì)菌運(yùn)動(dòng)中獲取靈感。胡文琪此次對(duì)微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)也基于對(duì)各種生物運(yùn)動(dòng)的觀察和研究。
當(dāng)小小的微型機(jī)器人完全浸沒在水中時(shí)，它的泳姿與水母非常相似；在規(guī)則的表面上，機(jī)器人可以快速的滾動(dòng)，就像毛毛蟲在逃離它的捕食者；當(dāng)處于不規(guī)則表面時(shí)，機(jī)器人又會(huì)模擬尺蠖的步伐，先用前端支地，調(diào)整角度后拉動(dòng)后端前移，再用后端支地，重新舒展前端；在狹小的管道中，機(jī)器人會(huì)像毛毛蟲一樣波形振動(dòng)，穿梭而過；在遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人像線蟲一樣形變跳躍。
對(duì)生物運(yùn)動(dòng)的模擬，讓外表樸素的機(jī)器人獲得了在不同介質(zhì)中的超能力。“以前的微型機(jī)器人大多是在一種介質(zhì)中，比如在水中。”然而看似平常的水面，對(duì)于微型機(jī)器人來(lái)說卻有如泰山壓頂。“液體表面具有強(qiáng)大的張力，很多微型機(jī)器人一旦到了界面，就‘犧牲’了。”在不同的界面運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，是這個(gè)小小機(jī)器人獨(dú)具一格的特點(diǎn)。
僅從物理性質(zhì)來(lái)說，人體內(nèi)除了固液氣及其界面這些環(huán)境之外，還有更多復(fù)雜的環(huán)境，比如胃中的顆粒狀介質(zhì)。在接下來(lái)的工作中，胡文琪會(huì)繼續(xù)從動(dòng)物中獲取靈感，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜環(huán)境的運(yùn)動(dòng)能力。
體內(nèi)治療
“我們做微型柔性機(jī)器人，瞄準(zhǔn)的更遠(yuǎn)期目標(biāo)是創(chuàng)傷很小或者微創(chuàng)手術(shù)。”胡文琪說。現(xiàn)在，很多手術(shù)依然需要開比較大的創(chuàng)口，比如腫瘤的切除術(shù)，不僅給人體造成較大的影響，而且術(shù)后恢復(fù)也是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。“我們團(tuán)隊(duì)所設(shè)想的是，未來(lái)可能不需要這樣了，手術(shù)不可能永遠(yuǎn)這樣下去，要有所發(fā)展，”胡文琪說，“我們希望讓這種小型化的機(jī)器人通過人體的一個(gè)很小的開口進(jìn)入，比如在心血管系統(tǒng)中，可以直接注射到血管里面，讓它直接作用到希望的位置，進(jìn)行治療。”
目前，很多美國(guó)、歐洲的醫(yī)生已經(jīng)開始對(duì)此產(chǎn)生興趣。他們所想到最簡(jiǎn)單，也是最早能夠現(xiàn)實(shí)使用的是藥物的遞送，“比如消化道醫(yī)生，他們希望將這個(gè)小機(jī)器人做成像海綿一樣的結(jié)構(gòu)，也就是在我們現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，有一些吸附能力，將藥物吸進(jìn)去，通過運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入到胃里或者消化道。”從現(xiàn)在醫(yī)學(xué)角度來(lái)說，藥物需要經(jīng)過體內(nèi)的層層關(guān)卡才能夠達(dá)到靶向位置，在此過程中藥物劑量產(chǎn)生大幅度衰減，使得最終到達(dá)靶向位置的藥物劑量不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)治療效果。“未來(lái)可以讓機(jī)器人到達(dá)指定的位置，然后將藥物釋放出來(lái)。”胡文琪說。
模擬在胃部的運(yùn)動(dòng)
而且，我們的機(jī)器人可以通過傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備進(jìn)行觀察，這樣可以跟蹤機(jī)器人在人體內(nèi)部所處的位置和動(dòng)作，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)控制。“由于核磁共振設(shè)備提供了磁場(chǎng)，我們的機(jī)器人也是磁驅(qū)的，所以我們暢想的未來(lái)是，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入人體后，核磁共振設(shè)備不僅可以用于影像學(xué)，它同時(shí)還可以做一些治療，這是我們下一步要做的工作。”
每個(gè)手術(shù)都有固定的流程和固定的需要，“我們希望這個(gè)機(jī)器人可以根據(jù)每種疾病的情況，對(duì)治療流程進(jìn)行優(yōu)化，讓治療效果更好，讓病人的痛苦更小。”胡文琪說。
自制面膜般的制作過程
“我們現(xiàn)在還沒有過多的研究制作工藝，而是將精力更多的放在運(yùn)動(dòng)能力的研究上。”胡文琪說。目前，胡文琪團(tuán)隊(duì)所研制的微型機(jī)器人使用的材料是具有生物可容性的硅橡膠，內(nèi)置平均直徑 5 微米的磁性釹鐵硼微粒。目前，它的制作過程有點(diǎn)類似于女生自制的面膜。制作之后的微型機(jī)器人長(zhǎng) 3.7 毫米，寬 1.5 毫米，厚度約為 185 微米。
“下一步我們想把這個(gè)機(jī)器人做的更小一些，做成亞毫米、幾百微米。”胡文琪說，“同時(shí)，我們也在尋找其它的軟性材料，類似于海藻膠這樣的提取自動(dòng)物、植物的材料是下一步我們計(jì)劃使用的。”
未來(lái)，胡文琪和他的團(tuán)隊(duì)不僅將研究如何將微型機(jī)器人做的越來(lái)越小，他們還希望微型機(jī)器人在完成它的使命之后可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降解。到那時(shí)，或許就真的可以實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)的“奇異旅程”了。