微型手術(shù)機(jī)器人如何在血管里“乘風(fēng)破浪”

你是否能想象在不久的將來，“醫(yī)生”能進(jìn)入你的血管“做手術(shù)”呢？電影《神奇旅程》講述了5名醫(yī)生縮小后進(jìn)入病人血管，順利找到出血點(diǎn)最終挽救生命的神奇經(jīng)歷。盡管我們做不到像電影一樣將醫(yī)生縮小送進(jìn)體內(nèi)，但微型機(jī)器人或許可以代替醫(yī)生發(fā)揮作用！

以下內(nèi)容為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員徐天添演講實(shí)錄：

早在1959年，物理學(xué)諾貝爾獎得主費(fèi)曼先生就曾經(jīng)說，他有一個幻想，如果我們能夠吞下一個外科醫(yī)生，那么很多復(fù)雜的手術(shù)可以變得很有趣、很簡單。

當(dāng)時對他來說，只是一個想法，希望把它留給我們來實(shí)現(xiàn)。

十年后的1966年，美國人把它拍成了一個電影。

1966年，科幻電影：神奇旅程 Fantastic

故事的內(nèi)容是一名蘇聯(lián)科學(xué)家逃到美國，因?yàn)樗哪X血管遭到間諜破壞而命在旦夕。然后大家想到了一個辦法，把5名醫(yī)生縮小到只有百萬分之一那么大，再把他們注射到蘇聯(lián)科學(xué)家的血管里。

這5名外科醫(yī)生在他的體內(nèi)經(jīng)過了一系列的冒險(xiǎn)，打怪升級，最終找到出血點(diǎn)，成功挽救了科學(xué)家的生命。

一聽就是冷戰(zhàn)時期特色的電影，但是冷戰(zhàn)時期的電影都是把最高科技的東西拿出來講，也正是那個時候，體內(nèi)的微型醫(yī)生概念第一次被推廣到普羅大眾的面前。

其實(shí)，我們不能真正把一個外科醫(yī)生變小，只能考慮，是不是可以做一些小的機(jī)器人，讓它代替縮小的外科醫(yī)生在我們體內(nèi)做手術(shù)。

做這種微小的機(jī)器人，會面臨著很多挑戰(zhàn)，首先就是怎么讓它在體內(nèi)動起來，怎么能讓它在體內(nèi)按照我想要的路徑行動，怎么適應(yīng)體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境。

這個概念一直沉靜到21世紀(jì)初，才有科學(xué)家完成了一些微型機(jī)器人的制作。也許微型機(jī)器人和我們常見的人形機(jī)器人是有非常大的區(qū)別。

從上圖來看，微型機(jī)器人不過是幾個顆粒，一個螺旋管，一條尾巴，怎么能叫機(jī)器人呢？

其實(shí)機(jī)器人有最重要的三要素：感知、運(yùn)動和決策。它可以感知周圍的環(huán)境，可以執(zhí)行一些運(yùn)動和做出一些決策，只要滿足這個三要素，就可以被叫作機(jī)器人。

比如說我們熟悉的機(jī)器人通常有兩個攝像頭作為眼睛感知環(huán)境，胳膊和腿執(zhí)行一些運(yùn)動，還有一個中央處理器作為它的大腦進(jìn)行決策。

那么我們來看看微型機(jī)器人是否具備這三個要素。

動起來！才能成為機(jī)器人

首先，我們就從最重要的，怎么能讓微型機(jī)器人動起來討論。

其實(shí)，這并不容易，因?yàn)樵谖⒂^世界里，很多物理定律與在宏觀世界里不一樣。

諾貝爾物理學(xué)家Purcell在1976年提出了所謂“扇貝定律”，即像扇貝一樣的往復(fù)運(yùn)動，在微觀世界里無法造成有效位移的。

什么意思呢？就是扇貝把它的貝殼迅速的打開，再慢慢的關(guān)上。但是由于它的慣性，它迅速打開的時候就往前一竄，扇貝也就是就樣一竄一竄的往前走。

然而在微觀世界里，它的開合運(yùn)動無法讓它往前走，因?yàn)樵谖⒂^世界里，慣性力在黏性力面前，是可以忽略不計(jì)的。

它打開的時候會往前竄，但是它關(guān)上的時候又退了回來。就是這種往復(fù)運(yùn)動只能讓微觀的物體在微觀環(huán)境下，做前進(jìn)后退的運(yùn)動，無法往前行走。

那么究竟怎么樣才能在微觀世界中有高效的運(yùn)動呢？

我們從自然界中得到了一些靈感。

一種是大腸桿菌。

它有一個腦袋和一個螺旋形的尾巴，可以在液體里轉(zhuǎn)動自己的身體。

剛才提到在微觀世界里，黏性力在慣性力面前起主導(dǎo)作用，相當(dāng)于大腸桿菌在很黏的環(huán)境里轉(zhuǎn)動自己，就如同我們在強(qiáng)擰一顆螺絲，一邊轉(zhuǎn)一邊走。

根據(jù)這個原理我們制造出來第一種仿生機(jī)制人——螺旋型機(jī)器人，讓它想辦法轉(zhuǎn)起來高效地走。

精子的柔性振動

第二種方式就是精子柔性振動，它有一條很長的尾巴，然后通過拍打自己的尾巴，形成柔性振動。

這種方式讓我們制造出了第二種仿生微型機(jī)器人，就是想辦法讓它振蕩起來，帶動它的尾巴，形成一個高效的運(yùn)動。

我們再看看微型機(jī)器人的發(fā)展史。

新型微型機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展時間線

最開始的時候，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將小螺絲釘放在比較粘稠的液體里可以動。后來，隨著微制造技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)器人就做得越來越小，一度做到了幾百納米。最近幾年隨著軟體智能材料的發(fā)展，我們做出了軟體微型機(jī)器人。

如何驅(qū)動微型機(jī)器人？

我們可以給微型機(jī)器人附上磁。

所有帶磁的物體在梯度磁場的作用下，都會形成拉力。所有帶磁性的物體在勻強(qiáng)的磁場下，都會受到轉(zhuǎn)動力，讓它向著的磁場方向和它磁場方向同向。

那么如何產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場？

我們一般用亥姆赫茲線圈，就是說有一對同樣的線圈，它們的扎數(shù)相同，電流方向相同，然后它的距離和它的半徑是相等的，這樣它就可以在它的軸向產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場。

一對線圈可以產(chǎn)生一個方向的磁場，若設(shè)計(jì)一個三維正交的三對線圈，這樣就有了三個基底，便可以制作出一個在空間中有任意方向的磁場。

通過編輯給定在線圈中的電流，我們可以編輯一些轉(zhuǎn)動的磁場，振動的磁場，圓錐型運(yùn)動的磁場，可以編輯磁場。

然后我們把微型機(jī)器人放在三對線圈的中間，讓它受到磁場的驅(qū)動，響應(yīng)磁場做出一些振動或者轉(zhuǎn)動的運(yùn)動。這樣，機(jī)器人就可以運(yùn)動。

然后用兩個外部的攝像頭來感知它的方位、定位，電腦的主機(jī)充當(dāng)它的大腦，作為一個決策，通過這一整個復(fù)雜的系統(tǒng)，就形成了微型機(jī)器人。

這是我制作的軟體薄膜微型機(jī)器人。

取一個硅膠，在硅膠里摻雜一些磁性顆粒，在做好之前，把它放在強(qiáng)磁場里，做特定的磁化方向，這樣就使它在一個旋轉(zhuǎn)的磁場里，形成螺旋型的運(yùn)動。

磁化

若讓這個微型機(jī)器人聽指令運(yùn)動，我們設(shè)計(jì)了一個路徑跟蹤的方法。

什么叫路徑跟蹤呢？

簡單地說，可以把它類比成自動駕駛，我有一個規(guī)劃好的路徑，想讓機(jī)器人沿著這個路徑去走。

當(dāng)然，微型機(jī)器人其實(shí)比自動駕駛還要難一些，因?yàn)樽詣玉{駛在路面上走，是二維運(yùn)動，微型機(jī)器人在體內(nèi)走，是三維運(yùn)動，相當(dāng)于三維的自動駕駛。

我們采用了路徑微分法，把給定的任意路徑微分成各個小段，讓它在每一個點(diǎn)找它最近的小段，來控制它的前進(jìn)方向。

之后，我們不滿足于軟體薄膜只做一個螺旋型的運(yùn)動，我們想讓它有多種多樣的運(yùn)動。

比如把柔性振動加上，那么在振動場可以讓它在地面上爬行；然后給它添加一個橫著的振動場，就可以讓它像水蛇一樣游動；然后給它一個旋轉(zhuǎn)場，就可以讓它像輪子一樣，在地面上翻滾起來；然后就是螺旋型運(yùn)動。

多模態(tài)運(yùn)動

爬、游、滾、飛，樣樣行

其實(shí)人體內(nèi)的環(huán)境很復(fù)雜，各種運(yùn)動可以適合不同樣的“地形”。

比如說有一個很窄、很扁的縫隙，需要爬過去；若是很窄的通道，就需要擺著游過去；如果有一個斜坡需要上臺階，就需要讓它變成像輪子一樣，滾上去；如果有一個很高的障礙，就可以使用螺旋型，像放風(fēng)箏一樣飛起來。

一部分是它像輪子一樣上了臺階，然后碰到一個高臺，它就像放風(fēng)箏一樣飛了起來；另外一部分就是通過橫著的和水平的狹窄的縫隙。

之后我把一個小條的薄膜機(jī)器人，做成了十字型，當(dāng)它卷起來的時候，十字型就像挖掘機(jī)的斗可以搬運(yùn)一些東西。

我們簡單地做了搬運(yùn)物體的試驗(yàn)，把三個小球從它們初始位置都搬運(yùn)到它最終的位置，它還可以做一些微組裝，做物體的篩選。

搬運(yùn)任務(wù)

比如在生物學(xué)研究中經(jīng)常會挑選一些細(xì)胞，我們會拿探針在放大鏡下挑細(xì)胞，又費(fèi)手又費(fèi)眼睛，也挑不了多少。微型機(jī)器人可以把這個工作進(jìn)行自動化，效率和重復(fù)性大大提高。

回到醫(yī)學(xué)應(yīng)用里，微型機(jī)器人可以作為藥物的載體，直接載著藥在人體內(nèi)把藥物送到它需要的地方，即靶向治療；它可以作為手術(shù)的攜帶者，到人體器械去不到的地方進(jìn)行探尋和采樣，采集醫(yī)生想要的樣本；也可以直接作為一個手術(shù)實(shí)施者，比如說在血管里，把血栓溶碎，然后帶出來，可以直接解決血栓的問題。

據(jù)我所知，國際上還沒有實(shí)驗(yàn)室真正把它做到體內(nèi)，其實(shí)它還是停留在這么一個設(shè)想的階段。

但是我和很多醫(yī)生探討過，醫(yī)生聽到微型機(jī)器人都很興奮，他們覺得，它真的可以改變一些醫(yī)療手段。

比如說一個眼科醫(yī)生說，現(xiàn)在有一些病其實(shí)是無法從根本上治愈的。如視網(wǎng)膜的動脈栓塞，現(xiàn)在一些微整形項(xiàng)目，將玻尿酸注射在臉上，如果形成血栓，不小心到視網(wǎng)膜的地方，是非常危險(xiǎn)的。

它如果堵了一個小的血管，那個區(qū)域你是看不到的，但如果堵到視網(wǎng)膜大的血管，可能整只眼睛都失明了。

然而現(xiàn)在醫(yī)生對視網(wǎng)膜里動脈栓塞沒有辦法，只能局部注射一些血管擴(kuò)張的藥物，可能你運(yùn)氣好，血栓沖到別的不重要的位置上，若運(yùn)氣不好，可能會永久失明。

有了微型機(jī)器人，我們就可以把微型機(jī)器人注射到堵塞部位的附近。

它可以自動找到血管栓塞的部位，使用攜帶溶栓的藥把栓塞化掉，然后把栓塞帶出來，這樣的話疾病就可以從根本上完全治愈了。

我們就一起期待這一天可以早一點(diǎn)到來。