中国科学家打造可变形微型机器人，或实现体内治疗

1966年，一部电影《奇异的旅程》获得了奥斯卡奖，它讲述了5名医生将自己缩小，进入患者体内，进行手术治疗的故事。这个在50多年前看似天马行空的想象，现在科学家们正在研究如何将其变为现实，当然不是将人缩小，而是让微型机器人进入人体内，进行各种操作和治疗。

“我们研究的目的就是瞄准了未来的创伤很小或者微创手术，”德国马普智能系统研究所的研究人员胡文琪说。不过如何穿越人体内复杂的各种环境，对仅有毫米甚至微米大小的机器人来说是非常艰巨的任务。“我们现在做的微型机器人，展现了在各种环境、各种表面良好的运动能力，这使得它具备了适应人体内部复杂环境的潜力。”

胡文琪与他的团队设计制作的微型机器人外表看起来非常普通，就像一块黑色的超微型“创可贴”，长度和宽度分别仅为3.7毫米和1.5毫米，其制作工艺看上去也简单的如女生自制面膜。然而，在磁场控制下，它可以完成各种规定动作，在液体环境中游泳，在固体环境中或走、或爬、或翻滚、或跳跃，在管道中穿梭，它甚至可以捡起一个小小的物品，并将其送至指定位置，这样的运动能力是此前的微型机器人所不具备的。“此前的微型机器人大多能够完成一至两种动作，而我们的机器人可以完成七种动作。”胡文琪说。近期，胡文琪作为第一作者，在《自然》期刊中，发表了其研究成果。



源自大自然的灵感



在胡文琪所在的德国马普智能系统研究所，从大自然的生物中找寻解决问题的灵感是常有的事情，有的人观察猫、狗、蝙蝠等体型偏大的动物，有人从小小的细菌运动中获取灵感。胡文琪此次对微型机器人的设计也基于对各种生物运动的观察和研究。

当小小的微型机器人完全浸没在水中时，它的泳姿与水母非常相似；在规则的表面上，机器人可以快速的滚动，就像毛毛虫在逃离它的捕食者；当处于不规则表面时，机器人又会模拟尺蠖的步伐，先用前端支地，调整角度后拉动后端前移，再用后端支地，重新舒展前端；在狭小的管道中，机器人会像毛毛虫一样波形振动，穿梭而过；在遇到障碍物时，机器人像线虫一样形变跳跃。










对生物运动的模拟，让外表朴素的机器人获得了在不同介质中的超能力。“以前的微型机器人大多是在一种介质中，比如在水中。”然而看似平常的水面，对于微型机器人来说却有如泰山压顶。“液体表面具有强大的张力，很多微型机器人一旦到了界面，就‘牺牲’了。”在不同的界面运动转换，是这个小小机器人独具一格的特点。



仅从物理性质来说，人体内除了固液气及其界面这些环境之外，还有更多复杂的环境，比如胃中的颗粒状介质。在接下来的工作中，胡文琪会继续从动物中获取灵感，实现更复杂环境的运动能力。



体内治疗



“我们做微型柔性机器人，瞄准的更远期目标是创伤很小或者微创手术。”胡文琪说。现在，很多手术依然需要开比较大的创口，比如肿瘤的切除术，不仅给人体造成较大的影响，而且术后恢复也是一个漫长的过程。“我们团队所设想的是，未来可能不需要这样了，手术不可能永远这样下去，要有所发展，”胡文琪说，“我们希望让这种小型化的机器人通过人体的一个很小的开口进入，比如在心血管系统中，可以直接注射到血管里面，让它直接作用到希望的位置，进行治疗。”

目前，很多美国、欧洲的医生已经开始对此产生兴趣。他们所想到最简单，也是最早能够现实使用的是药物的递送，“比如消化道医生，他们希望将这个小机器人做成像海绵一样的结构，也就是在我们现在的基础上，有一些吸附能力，将药物吸进去，通过运动，进入到胃里或者消化道。”从现在医学角度来说，药物需要经过体内的层层关卡才能够达到靶向位置，在此过程中药物剂量产生大幅度衰减，使得最终到达靶向位置的药物剂量不足，无法实现治疗效果。“未来可以让机器人到达指定的位置，然后将药物释放出来。”胡文琪说。




模拟在胃部的运动



而且，我们的机器人可以通过传统的医学影像设备进行观察，这样可以跟踪机器人在人体内部所处的位置和动作，并对其进行相应控制。“由于核磁共振设备提供了磁场，我们的机器人也是磁驱的，所以我们畅想的未来是，当机器人进入人体后，核磁共振设备不仅可以用于影像学，它同时还可以做一些治疗，这是我们下一步要做的工作。”

每个手术都有固定的流程和固定的需要，“我们希望这个机器人可以根据每种疾病的情况，对治疗流程进行优化，让治疗效果更好，让病人的痛苦更小。”胡文琪说。



自制面膜般的制作过程



“我们现在还没有过多的研究制作工艺，而是将精力更多的放在运动能力的研究上。”胡文琪说。目前，胡文琪团队所研制的微型机器人使用的材料是具有生物可容性的硅橡胶，内置平均直径5微米的磁性钕铁硼微粒。目前，它的制作过程有点类似于女生自制的面膜。制作之后的微型机器人长3.7毫米，宽1.5毫米，厚度约为185微米。



“下一步我们想把这个机器人做的更小一些，做成亚毫米、几百微米。”胡文琪说，“同时，我们也在寻找其它的软性材料，类似于海藻胶这样的提取自动物、植物的材料是下一步我们计划使用的。”

未来，胡文琪和他的团队不仅将研究如何将微型机器人做的越来越小，他们还希望微型机器人在完成它的使命之后可以实现自动降解。到那时，或许就真的可以实现人体内的“奇异旅程”了。



撰文 李晓慧

编辑 王妍琳



论文链接：https://www.nature.com/articles/nature25443