費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」

本文作者：陳彩嫻

2022-05-26 14:33

導語：不一樣的機器人：小小的身體，大大的能量。

1959年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼（Richard Feynman）在加州理工學院作了一場題為“There is Plenty of Room at the Bottom”（底層研究仍有廣闊天地）的演講，首先設想了體內微型機器人的可能性。

在費曼的猜想中，這類微型機器人依靠微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）驅動，能夠進入體內實施手術。當時，費曼說：「如果我們能夠吞下一個外科醫生，那么很多復雜的手術都可以變得很有趣、很簡單。」

或許是費曼的影響力太大，十年后，科研界還未開展研究，美國導演 Richard Fleischer 就將費曼的設想拍成了經典的科幻電影，《神奇旅程》（Fantastic Voyage）。電影中，5名醫生被縮小成原體積的幾百萬分之一，被注射進一位腦血管遭到破壞、性命攸關的患者體內，經過一系列冒險，最終成功找到出血點，及時挽救了病人的生命。

但，能夠進入人體的微型機器人，只能是一個幻想嗎？答案顯然存疑。

自費曼提出「體內外科醫生」的概念以來，科學家們便被這一想法所吸引、激勵，投入到微型機器人的研究中，并取得了許多不錯的成果。科學家們暢想著，在未來，機器真的可以進入人的體內，實現靶向治療、靶向給藥，幫助治療腫瘤等重大疾病。

1、「史萊姆」機器人

前段時間，一個叫做「史萊姆」（Slime）的磁控粘液微型機器人在 New Scientist 上火了。

它是由磁性粘液材料制作而成，可以進入體內，取出意外吞噬的小器件。4月1日一發布，立即在科技社區引起巨大轟動，網友紛紛驚掉下巴，瀏覽點擊率迅速超過十萬、百萬、千萬：

費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」

與我們常見的機器人不同，這個機器人無論是外形、動作與能力，都更像一個「怪物」，與我們所想象的由剛體硬件打造、五官身軀酷似人類的「機器」「人」有很大的出入。

根據 Demo 顯示，它的外形像一坨烏黑的面團，沒頭沒臉、沒手沒腳，身軀柔軟，外形變化多樣。

但雖然其貌不揚，這個「史萊姆」機器人卻具備多種奇特的功能，可以變化自己柔軟的身軀，在穿越窄縫、修補斷開的電線，還可以在人體的消化道內以吞噬的方式取出誤食的電子零器件。

即使將它切成幾段，再重新拼接，它也有「自愈合」的能力。

「史萊姆」機器人打破了大多數人對「機器人」的傳統印象，也憑借其酷炫的未來感與潛在的強大力量，讓「體內微型機器人」進入大眾的視野。

「史萊姆」機器人的研發成員之一、香港中文大學張立教授介紹，「自愈」能力也是當前軟體機器人領域的熱門研究方向之一，主要體現為對不同環境的高適應性。而「史萊姆」機器人的強大之處，不僅在于將它切斷后、它可以自愈合，還在于將它放到液體中也能保持完整形狀，甚至在空氣、固體環境中也能穿行無阻。

費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」

圖注：香港中文大學機械與自動化工程學系教授張立

事實上，近年來微型機器人的研究成果層出不窮，如由微電機驅動的、大小如飛蠅/甲殼蟲的飛行機器人。而與它們不同，「史萊姆」機器人的獨特之處是在非牛頓液體材料中加入磁性粉末與磁性顆粒，從而實現磁場控制，使其行動靈敏、甚至可以自由變形。

而「史萊姆」機器人所呈現出來的「自愈」能力，也是依托材料本身的特性，加上外界的磁性引導，在「身體」切斷后由相距較近的高聚物相互作用，重新融為一體。

需要注意的是，「史萊姆」機器人目前沒有自主移動的本領，它的移動伸縮靠的是外部磁場控制里面的釹磁鐵（可以理解為「強力小磁球」）。

「『史萊姆』機器人本身沒有固定的形狀。它是粘液狀的，加了磁場后，它會對磁場作出響應。你將磁鐵由左往右移動，它就會隨著磁鐵從左往右。受磁力的大小，它很容易產生形狀的變化。例如，如果有人不慎誤吞有害元件，把它變成一只手、包裹抓取?！箯埩⑾駻I科技評論介紹。

這也是張立所領導的先進納米材料與微型機器人實驗室（Advanced Nanomaterials & Microrobotics Laboratory，ANML）第一次制作磁性粘液機器人。此前，ANML曾制作過許多不同類型的微型納米機器人，包括3D技術打印的仿生昆蟲機器人，均是基于磁場進行遠程操控，「但像『史萊姆』機器人這樣的粘液狀、有如此大變形的，可以像大象的鼻子一樣卷起來的，還是第一次。」張立談道。

更令人驚嘆的是，該工作的第一作者、ANML實驗室在職博士后孫猛猛從加入ANML、開始研發到發表文章，僅用了半年時間。

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圖注：孫猛猛博士

「這主要是因為孫猛猛原先在哈爾濱工業大學讀博（師從謝暉教授）時就已經有一些想法。過來后，借助我們課題組在相關材料與磁控操作上所積累的大量經驗，項目進展得很順利。」張立介紹。

考慮到人體內部環境的復雜度，張立團隊設想，「史萊姆」機器人或許能在消化道有一定的應用空間，原因主要有幾點：一是消化道的空腔較大，「史萊姆」機器人在里面的穿梭會比較順暢；二是人體的消化道本就有許多微生物菌群，嘗試體內機器人的風險相對低；三是「史萊姆」機器人的制作材料經過細胞毒性測試，毒性較低，若只在體內短暫停留、后排出體外，理論上是安全的。

當然，目前將「史萊姆」機器人作為體內醫治執行器的想法仍處于一個設想階段，有待進一步探索。

2、體內微型機器人的發展

「史萊姆」機器人的表現可喜，但回溯這種能夠進入體內的微型機器人的發展歷史，不過短短數十載。

上世紀七十年代，美國情報機構為推進機密研究，試圖設計一些能夠執行戰俘援助和電子攔截任務的微型機器人，但由于當時底層支持技術未完全開發出來，微型機器人原型并沒有從這套早期的計算和概念開發出來。

直到21世紀，微型機器人才正式面世。隨著微機電、微驅動器等多學科領域的發展作為鋪墊，微型機器人取得重要技術突破并逐漸成為國際研究熱點。

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圖注：仿生微型機器人

相對于研究了大半個世紀的大型機器人來說，微型機器人的發展不過二十余年，「能夠進入體內的微型機器人」更是屈指可數，國內外均處于剛剛起步的階段。

微型機器人有不同類別，其中，微型醫療機器人被業界認為最有發展前途的應用領域。日本科技政策研究院曾預測「未來醫療領域使用微型機器人和機器人的手術將超過全部醫療手術的一半」。

在國外，日本率先采用「機器人外科醫生」的計劃，并正在開發能在人體血管中穿行、用于發現并殺死癌細胞的超微型機器人。美國馬里蘭州的約翰·霍普金實驗室研制出一種裝有微型硅溫度計和微型電路的微型檢測裝置，吞入體內，可以將體內的溫度信息發給記錄器。瑞典科學家發明了一種大小如英文標點符號的機器人，未來可移動單一細胞或捕捉細菌，進而在人體內進行各種手術。

國內研究員也早早關注到這一前沿方向，如蘇州大學的孫立寧教授、沈陽自動化研究所的劉連慶教授。在「體內機器人」一塊，青年學者如香港中文大學教授張立、深圳先進院研究員徐天添，也不甘落后，從材料與控制兩大方向入手，探索新的機遇。

總的來說，體內機器人的實現，有三大要素：一是「微」體形的實現；二是與體內環境相適配的安全材料；三則是機器人在體內的「自動駕駛」技術。

就拿「史萊姆」機器人來說，其最大的突破就是材料。它采用了具有非牛頓流體特征的聚乙烯醇與硼砂材料、外加一層二氧化硅，其黏稠度隨著與外界的接觸產生變化，對環境具有高適應性，在氣態、液態與固態環境中均可延伸爬行，可進行多模態操縱。

費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」

圖注：在池內倒入非牛頓液體可進行水上漂

不過，硼砂的毒性安全度仍未得到保障，該領域目前研究的一個重點就是找出更適合構建微型醫療機器人的材料。材料要具備柔性化、親膚化、無毒無害、易于排除體內、便于操作等特點。

對于創新性與安全性，張立教授的看法是：「有時科學家跟醫生的想法不盡相同。醫生往往比較保守，往往首先考慮安全性，而科學家更多強調創新性。這兩者有一定矛盾?！沟卺t療場景中，毋庸置疑，安全必然是第一位。

除材料以外，對微型機器人的體內路徑控制又是實現「外科醫生」另一亟待解決的難題。近年來，體內微型機器人的研究重點經歷了三個階段的變化：從開環控制到閉環控制、從單一運動模態到多種運動模態、從單個機器人到多個機器人。對微型機器人集群的操控，在體內醫療場景中有實際的應用價值，也是目前機器人領域的一大研究趨勢。

與單一機器人相比，集群微機器人有兩大優勢：

一是減少失敗率。比方說，對于載藥來說，集群機器人的載藥劑量可以提高。此外，在血液等環境中，單一的微小機器人很容易被血液沖走，或被巨噬細胞吞噬，這時若切換為集群機器人，可以提高治療的成功率；

二是集群便于觀測。如今的機器人可以做到納米尺度，但當它們放于在體內時，用現有的醫療影像設備清晰觀測到單一機器人的難度極高。就像潛水，我們往往容易忽視從眼前游過的一條小魚，卻常常被遠處一群黑壓壓的魚所震撼到。

3、路徑控制：體內「開車」

在微型機器人的路徑控制方面，中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱「深圳先進院」）的研究員徐天添是一枚科研「新星」。

徐天添是自動化控制背景出身，先后在在巴黎中央理工大學與巴黎第六大學獲得碩士、博士學位，從博士期間開始研究微型機器人。2014年博士畢業后，她加入香港中文大學張立教授團隊擔任博士后研究員。2016年，她正式加盟深圳先進院集成所智能仿生中心，目前是深圳先進院唯一一位研究醫療微型機器人路徑控制的科學家。

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圖注：深圳先進院徐天添研究員

從徐天添教授的角度看，體內微型機器人的路徑控制研究大約可以分為三個方向：一是如何讓微型機器人在體內動起來？二是如何讓它們按照既定的路徑運動？三是如何讓它們適應體內的復雜環境？

如果將微型機器人比喻成汽車，那么，機器人在體內懸空運動，就相當于控制一輛汽車在復雜鬧市的空中行駛，難度極高，安全風險因素也極高。

需要注意的是，微觀世界的許多物理定律與宏觀世界不一樣。例如，1976年，諾貝爾物理學家 E.M.Purcell 提出「扇貝定律」(scallop theorem），即扇貝在把貝殼迅速打開、再慢慢關上時，由于慣性，扇貝迅速打開的時候會往前一竄，形成一竄一竄地「運動前行」。然而，在微觀世界里，由于慣性力在黏性面前幾乎可以忽略不計，扇貝的開合行動也無法使它前行。

費曼狂想曲：能夠進入體內的「外科醫生」

人體的體內環境也是一個微觀世界。如何讓微型機器人在體內動起來？

徐天添與團隊合作，從自然界中汲取靈感：一種是大腸桿菌，由螺旋形的尾巴驅動前進，就像擰一顆螺絲，一邊轉、一邊前進；另一種是精子柔性振動，通過拍打自己的尾巴，振動前行。在這兩種方式下，他們成功地制造出螺旋型機器人與精子狀的仿生機器人，成功使機器人在模仿體內的環境中動了起來。

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圖注：微型機器人在液體中「螺旋泳」前進

但是，光讓機器人在體內動起來還不夠。必須保證前行的路徑是安全的，且不能在體內橫沖直撞……

因此，為了保證機器人在體內「精準」穿梭，繞過危險區域，確保安全性，研究微型機器人的路徑控制顯得尤為重要。且如前所述，機器人在體內的運行是「空中前進」，這就要求機器人具備 3D 運動能力。

2019年，徐天添團隊便提出了一種新型的路徑跟隨控制算法，采用路徑微分法，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。他們的算法針對毫米級的磁驅動軟體機器人成功實現了 3D 路徑控制，相關工作獲得了IEEE智能機器人與系統國際會議（IROS）最佳應用論文獎：

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在路徑控制一塊，徐天添團隊采取的也是磁控。磁控的主要優勢在于可以無線操控：若機器人進入體內，人類研究員或醫生可以在體外實施操作。同時，磁控的響應時間短、功率密度高，可重復性也高，機器人可以多次成功地到達病灶部位，消除成功率的隨機性。

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圖注：徐天添團隊的多自由度磁控裝置

實現單一機器人的3D路徑控制后，徐天添與團隊又向多機器人的協同控制研究邁進。

徐天添向AI科技評論解釋，基于磁控的微機器人群操作有兩大難點：一是同一個磁場里所輸入的信號是相同的，這會導致多個微型機器人的前進方向與速度一致；二是微型機器人之間缺乏通訊，無法獨立控制。

為了解決這個問題，徐天添與團隊鉆研多年，終于在今年年初取得了成果——

他們提出一種完全解耦的方法，無須通訊，用外部的統一信號來感知機器人，解決如何對相同的信號產生不同的輸出的問題，首次實現了4個磁性軟體微型機器人的獨立位置控制和3個磁性軟體微型機器人的獨立路徑跟隨控制，相關工作（“Independent Control Strategy of Multiple Magnetic Flexible Millirobots for Position Control and Path Following”）發表在國際機器人頂刊 T-RO 上。

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圖注：毫米級機器人的獨立位置控制：（a）兩個機器人位置控制；(c)三個機器人位置控制；(e) 四個機器人位置控制；(b)、(d) 和 (f) 為機器人的對應的位置軌跡

這個工作在多微型機器人的協同控制上邁進了一大步。不過，徐天添也向AI科技評論表示，目前他們也只實現了4個微機器人的獨立控制，在未來，還要朝著更大的目標前進。

值得注意的是，在路徑控制一塊引入人工智能算法，也正在成為趨勢。例如，徐天添等人便從2020年開始采用華南理工大學計算機學院院長陳俊龍在2016年提出的「寬度學習」方法，自動計算與優化對機器人在復雜環境中的控制率，從而實現更好的控制。

4、設想與現實

那么，距離微型機器人進入體內還有多久？

毫無疑問，費曼的猜想很前衛，「體內外科醫生」的設想也令人十分神往。

前段時間，Nature也發文探討了微型機器人用于癌癥治療的前景。比如，抗癌藥物通常采用散彈槍方法，傳統治療方法在靜脈注射凝血藥，但會面臨血栓風險。而化學療法在破壞腫瘤的同時，不可避免地附帶攻擊健康細胞，引發一系列副作用。而針對這個困境，夢寐以求的替代方案是將一個微型機器人注射到患有癌癥的人體內進行靶向治療和給藥。

遙想微型機器人在有朝一日能夠進入體內進行癌癥醫治，張立有著極大的研究熱情與動力。但同時，研究人員也清醒地意識到：體內微型機器人的落地還有很長的路要走。比如，至今國內外都還沒有研究人員真正將微型機器人在體內落地。雷峰網(公眾號：雷峰網)

安全、倫理、性價比、風險控制等等，均是人們在未來要解決的問題。

在推動體內機器人的研究與落地上，科學家在努力。張立向AI科技評論表示，近年來，香港政府投資了4.7億港幣在香港科學園建設了一個醫療機器人創新技術中心（如下圖），配備了技術先進的醫療影像設備、磁力共振技術與X光等等，幫助科學家們進行醫療機器人的創新與技術孵化。

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