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        指哪打哪!微型手術機器人如何在血管里“乘風破浪”?

          你是否能想象在不久的將來,醫生能進入你的血管做手術呢?電影《神奇旅程》講述了5名醫生縮小后進入病人血管,順利找到出血點最終挽救生命的神奇經歷。盡管我們做不到像電影一樣

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

         
        指哪打哪!微型手術機器人如何在血管里“乘風破浪”?
         
          以下內容為中國科學院深圳先進技術研究院副研究員徐天添演講實錄:
         
          早在1959年,物理學諾貝爾獎得主費曼先生就曾經說,他有一個幻想,如果我們能夠吞下一個外科醫生,那么很多復雜的手術可以變得很有趣、很簡單。
         
          當時對他來說,只是一個想法,希望把它留給我們來實現。
         
          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
         
          故事的內容是一名蘇聯科學家逃到美國,因為他的腦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名醫生縮小到只有百萬分之一那么大,再把他們注射到蘇聯科學家的血管里。
         
          這5名外科醫生在他的體內經過了一系列的冒險,打怪升級,最終找到出血點,成功挽救了科學家的生命。
         
          一聽就是冷戰時期特色的電影,但是冷戰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,體內的微型醫生概念第一次被推廣到普羅大眾的面前。
         
          其實,我們不能真正把一個外科醫生變小,只能考慮,是不是可以做一些小的機器人,讓它代替縮小的外科醫生在我們體內做手術。
         
          做這種微小的機器人,會面臨著很多挑戰,首先就是怎么讓它在體內動起來,怎么能讓它在體內按照我想要的路徑行動,怎么適應體內復雜的環境。
         
          這個概念一直沉靜到21世紀初,才有科學家完成了一些微型機器人的制作。也許微型機器人和我們常見的人形機器人是有非常大的區別。

         
        指哪打哪!微型手術機器人如何在血管里“乘風破浪”?
         
          從上圖來看,微型機器人不過是幾個顆粒,一個螺旋管,一條尾巴,怎么能叫機器人呢?
         
          其實機器人有最重要的三要素:感知、運動和決策。它可以感知周圍的環境,可以執行一些運動和做出一些決策,只要滿足這個三要素,就可以被叫作機器人。
         
          比如說我們熟悉的機器人通常有兩個攝像頭作為眼睛感知環境,胳膊和腿執行一些運動,還有一個中央處理器作為它的大腦進行決策。
         
          那么我們來看看微型機器人是否具備這三個要素。

          動起來!才能成為機器人
         
          首先,我們就從最重要的,怎么能讓微型機器人動起來討論。
         
          其實,這并不容易,因為在微觀世界里,很多物理定律與在宏觀世界里不一樣。
         
          諾貝爾物理學家Purcell在1976年提出了所謂“扇貝定律”,即像扇貝一樣的往復運動,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,它的開合運動無法讓它往前走,因為在微觀世界里,慣性力在黏性力面前,是可以忽略不計的。
         
          它打開的時候會往前竄,但是它關上的時候又退了回來。就是這種往復運動只能讓微觀的物體在微觀環境下,做前進后退的運動,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作用,相當于大腸桿菌在很黏的環境里轉動自己,就如同我們在強擰一顆螺絲,一邊轉一邊走。
         
          根據這個原理我們制造出來第一種仿生機制人——螺旋型機器人,讓它想辦法轉起來高效地走。
         
          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,形成一個高效的運動。
         
          我們再看看微型機器人的發展史。
         
          新型微型機器人系統發展時間線
         
          最開始的時候,科學家發現,將小螺絲釘放在比較粘稠的液體里可以動。后來,隨著微制造技術的發展,微型機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展,我們做出了軟體微型機器人。
         
          如何驅動微型機器人?
         
          我們可以給微型機器人附上磁。
         
          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的磁場下,都會受到轉動力,讓它向著的磁場方向和它磁場方向同向。
         
          那么如何產生勻強磁場?
         
          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生勻強磁場。
         
          一對線圈可以產生一個方向的磁場,若設計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動的磁場,振動的磁場,圓錐型運動的磁場,可以編輯磁場。
         
          然后我們把微型機器人放在三對線圈的中間,讓它受到磁場的驅動,響應磁場做出一些振動或者轉動的運動。這樣,機器人就可以運動。
         
          然后用兩個外部的攝像頭來感知它的方位、定位,電腦的主機充當它的大腦,作為一個決策,通過這一整個復雜的系統,就形成了微型機器人。
         
          這是我制作的軟體薄膜微型機器人。
         
          取一個硅膠,在硅膠里摻雜一些磁性顆粒,在做好之前,把它放在強磁場里,做特定的磁化方向,這樣就使它在一個旋轉的磁場里,形成螺旋型的運動。
         
          
        磁化
         
          若讓這個微型機器人聽指令運動,我們設計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,我有一個規劃好的路徑,想讓機器人沿著這個路徑去走。
         
          當然,微型機器人其實比自動駕駛還要難一些,因為自動駕駛在路面上走,是二維運動,微型機器人在體內走,是三維運動,相當于三維的自動駕駛。
         
          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,讓它在每一個點找它最近的小段,來控制它的前進方向。
         
          之后,我們不滿足于軟體薄膜只做一個螺旋型的運動,我們想讓它有多種多樣的運動。
         
          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;然后就是螺旋型運動。
         
          多模態運動
         
          爬、游、滾、飛,樣樣行
         
          其實人體內的環境很復雜,各種運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器人,做成了十字型,當它卷起來的時候,十字型就像挖掘機的斗可以搬運一些東西。
         
          我們簡單地做了搬運物體的試驗,把三個小球從它們初始位置都搬運到它最終的位置,它還可以做一些微組裝,做物體的篩選。
         
          搬運任務
         
          比如在生物學研究中經常會挑選一些細胞,我們會拿探針在放大鏡下挑細胞,又費手又費眼睛,也挑不了多少。微型機器人可以把這個工作進行自動化,效率和重復性大大提高。
         
          回到醫學
        應用里,微型機器人可以作為藥物的載體,直接載著藥在人體內把藥物送到它需要的地方,即靶向治療;它可以作為手術的攜帶者,到人體器械去不到的地方進行探尋和采樣,采集醫生想要的樣本;也可以直接作為一個手術實施者,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。
         
          據我所知,國際上還沒有實驗室真正把它做到體內,其實它還是停留在這么一個設想的階段。
         
          但是我和很多醫生探討過,醫生聽到微型機器人都很興奮,他們覺得,它真的可以改變一些醫療手段。
         
          比如說一個眼科醫生說,現在有一些病其實是無法從根本上治愈的。如視網膜的動脈栓塞,現在一些微整形項目,將玻尿酸注射在臉上,如果形成血栓,不小心到視網膜的地方,是非常危險的。
         
          它如果堵了一個小的血管,那個區域你是看不到的,但如果堵到視網膜大的血管,可能整只眼睛都失明了。
         
          然而現在醫生對視網膜里動脈栓塞沒有辦法,只能局部注射一些血管擴張的藥物,可能你運氣好,血栓沖到別的不重要的位置上,若運氣不好,可能會永久失明。
         
          有了微型機器人,我們就可以把微型機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到來。

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        上一篇 2020年7月14日 上午3:12
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