毫米級微型機器人有望進入人體進行治療

編譯 Halcyon

近日，哈佛大學的一個研究團隊在機器人領域取得了重大突破，借助全新的制造技術創造出一個微型蜘蛛機器人，今后有望應用于醫學領域。這些“蜘蛛”有一天會爬進你的體內，幫助修復組織或破壞腫瘤。該團隊的創新設計不僅有效減少侵入性外科手術，在醫學領域做出重大改變，還可以從工業設施的維護到拯救災民等各方面產生影響。

毫米級機器人：里程碑式的一步

到目前為止，大多數先進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。由哈佛大學威斯生物啟發工程研究所（以下簡稱威斯研究所）、John A.Paulson工程與應用科學學院（SEAS）和波士頓大學的科學家聯合研發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。

相比其他同類產品，此款蜘蛛機器人更加小巧、靈活——對研發能在人體內進行相關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。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，借助軟光刻技術在這些層內繪制了一個復雜的微觀通道網絡；在感知到氣動或液壓動力時，這些微型“脈絡”可促成蜘蛛的移動。最后，為了達到其最終形狀，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。

微型機器人有望應用于醫學領域，進入體內幫助修復組織或破壞腫瘤。

根據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構，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動并模擬澳大利亞孔雀蜘蛛的表現。

雖然對這款機器人的表現很有自信，波士頓大學的助理教授兼創造者之一的Tommaso Ranzani表示，它目前的形式并非針對醫療應用而設計，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險、進行微創手術任務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手術工具，一躍成為“操縱、與身體最脆弱組織（如靜脈、動脈甚至神經）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認為類似的微型機器人也有可能對環境有所幫助，可用于維護工業設施，甚至協助太空探索。他表示：“‘蜘蛛機器人’是軟體機器人研發道路上的第一項成果。我們相信它將會推進新一代微型軟體機器人的發展，新一代機器人將借助其微型、可變形、彈性的外觀，探索高度非結構化、復雜的環境，被廣泛應用于人體內部對組織進行安全、精細的操作，以執行搜索、搶救等醫療任務。”

想象一下，未來某一天，一大群機器人在清理火箭發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——甚至只是進行一次清理以清除人體內堵塞的動脈。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爆表了。

未來醫療：微型機器人助力精準醫療

這可能是一個奇怪的場景：2006年10月一個寒冷的晚上，一群工程專業學生和他們的教授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……

一名醫院技術員通過導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。

現在世界上的各個研究機構正在努力將這一小步發展得更大，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的時代。

Martel醫生寫道：微型機器人在醫學領域發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胞中，其只會擊中受損細胞，并不會傷害健康細胞。

不過發展的前途雖然光明，其挑戰卻是巨大的。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，他們用一種類似細菌的仿生設計制作微型機器人。

他表示，微型物體的生存環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，它們也能修復我們的血管和器官。

在伊利諾伊大學香檳分校里，畢業生Caroline Cvetkovic正在致力于一個相似的項目：用肌肉驅使的行走機器人。她的團隊利用心臟細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構想了一個“能夠幫助運輸藥物、智能植入血管、監測生物體內環境”的機器人醫生。她說道：“我們的系統靈感來源于哺乳動物的肌肉、腱、骨系統。它不僅僅與生理學相關，它讓我們模仿大自然系統的能量生產方式。例如，在人體內，當肌肉發出動作，力量會通過連接腱傳遞到骨頭。而在我們的生物機器人中，當肌肉細胞做出反應（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成，因此它能夠靈活彎曲。這樣一來，機器人能夠移動肢體進行行走。”

Robert Woods是一名電子工程師，也是哈佛大學微型機器人實驗室的創始人，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，諾貝爾物理學獎獲得者費曼在演講中說道：“如果你能吞下一名外科醫生，那么手術將變得有趣而簡單。但是我們怎樣才能制作出這樣微小的外科醫生呢？這是我的夢想，我把它留給你們來實現。”

幾十年過去了，科學家們一直在為此奮斗。夢想已經不遙遠，而且更為奇妙，人們并不會簡單粗暴地吞下一名外科醫生，而是會直接植入微型機器人醫生。現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。