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| 本文作者： 張馳 | 2017-07-09 21:52 | 專題：GAIR 2017 |
雷鋒網按：7月7日，中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網與香港中文大學（深圳）承辦的第二屆CCF-GAIR全球人工智能與機器人峰會在深圳如期開幕。在大會第三天的醫(yī)療人工智能專場，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）的教授Brad Nelson做了大會報告。
他的報告從科幻中的機器人講到了已經實現(xiàn)的微型機器人，并就其實現(xiàn)原理及應用作了深入的分析，同時展示了其研究所的諸多微型機器人研究成果。他認為未來的醫(yī)療機器人一定有微型機器人一席之地，但這種過程并不輕松，期間還面臨著諸多挑戰(zhàn)。
以下內容由雷鋒網整理自Nelson教授的報告，有刪減：
今天我想和大家共同探討一下柔性機器人，特別是它的微型應用。
我和在蘇黎世的30個合作伙伴，從機器的角度，包括從材料、醫(yī)學的角度共同合作，他們來自不同背景，一起解決目前手中棘手的手術難題。在基礎角度我們會研究微型物理的作用，比如力學、機械生物學，與此同時開發(fā)微型機器人。更重要的是我們開發(fā)了以磁力驅動的機器人。最后一部分是材料。
今天我會介紹一些研究成果，同時講一下物理方面的進展，以及如何建立小型機器和使用磁驅動的方式驅動機器人。
微型機器人對未來的醫(yī)學有很大的影響。講到醫(yī)療，大家可能會看到像上圖這樣的，來自好萊塢電影中的機器人，它是完全自主的，像一個宇宙飛船，在人體進行手術。這是未來一個想象。科學家已經研究微型機器人大概30多年了，機器或者機器人會影響我們這個時代的醫(yī)學，未來機器人能夠給患者開藥自動診斷。現(xiàn)在有系統(tǒng)和機器在人的身上做一些簡單的手術，未來會有機器人自動做手術，這也需要計算速度以及大數(shù)據(jù)方面的支持，尤其是診斷方面。
現(xiàn)在世界上的醫(yī)療機器人很多，而且在15年前人們就開始在思考，下一代的機器人，尤其是下一代醫(yī)療機器人將會是什么樣。
我們考慮的出發(fā)點是微型，就好象第一張圖片里好萊塢電影中機器人一樣。這是1966年一部電影中出現(xiàn)的機器人，它可以縮小并讓一個科學家藏在其中，通過內部的傳感器了解周圍的環(huán)境。它的體積非常小，能被吞咽到體內。而今天這個場景是可以實現(xiàn)的。
我覺得好萊塢已經比科學界先進很多了，但他們不用考慮現(xiàn)實情況，也不用考慮如何去制造，用什么材料。對科學家來講這個問題很更難了，尤其是工程師，要考慮制造、機械、潛力，對社會大眾產生的好處，商業(yè)化和落地。另外還要考慮市場上哪些疾病是由醫(yī)療機器人可以承擔的，如果沒有這些，科研就是毫無意義的。
接下來講機器人的構造，尤其是如何做微型機器人。我們不能像小說里一樣讓機器人被吞咽到人體內，我們要講的是用什么材料。所以先講講它的物理構成。
這上面有兩個公式，第一個是磁力，我們必須在微型機器人上增加一個磁張力，它才能進行吸附。另外，還要通過改變微型機器人的構造，使它增加力量或者減少力量，還希望這個機器人能進行旋轉。
根據(jù)這兩個公式創(chuàng)造出的機器人的物理公式，不光能夠進行力的增加和減少，而且能進行自由的360度翻轉和旋轉。
2009年的時候我們用八個比較常用的磁鐵驅動的醫(yī)療設備，看一下在三維工作場景中如何控制機器人的走向和力的大小。這個技術也是我們首先提出開發(fā)并且應用的。
如果已經有了公式和能力控制微型機器人，接下來的問題是在醫(yī)療行業(yè)這種小型機器人有什么好處。
首先看一下眼睛上有什么樣的疾病。一般的疾病都是用肉眼從外部觀察到的，但有一些在過去十年沒有取得任何進步。現(xiàn)在則可以做到用一個微型機器人，在眼睛中觀察其內部構造，并且看有什么樣的疾病。我們發(fā)明了一個新的設備，它非常非常小，只有零點幾毫米，如果你把它放到眼睛上然后拿出來，它不會造成任何影響。
從微型機器人角度出發(fā)，我們還想發(fā)明一些能穿透血管的機器人，把它用在動物身上進行實驗。通過它們在血管里的走向，找到疾病到底發(fā)生在哪個地方。
再看一下在體內發(fā)生的情況，有時候人們認為他們的心臟或者胃出了問題。多年來有很多人呼吁用微型機器人協(xié)助外科醫(yī)生做手術。如果講到心臟，里面有很多血管。如果能用一些微型機器人，這個機器人能有一套自系統(tǒng)能夠幫助我們去控制手術的進程呢？
我們開發(fā)了一個系統(tǒng)，病人可以躺在這個系統(tǒng)中，醫(yī)生可以通過手里的微型設備看患者的心跳、血流速度。同時，一個醫(yī)生或者護士協(xié)助病人描述自己體內的疾病情況。這種微型的體外設備進入到血管以后，因為有上面連接的磁力，所以能夠把信息傳回到機器人的大腦。系統(tǒng)中的導管進入到體內，就發(fā)現(xiàn)腫瘤的位置。
左上方可以看到我們把兩個系統(tǒng)前端設備和后端設備連接在一起然后進行手術。右邊的下圖，整個過程中外科醫(yī)生能通過機器人協(xié)助控制手術進程。
手術有兩部分，第一要精確的從外部控制進入到病人體內的機器人導管。第二，當我們在移動導管的過程中，能夠進行完全的控制。
在接下來這張圖片里，給大家看一下在真正的病患身上做的第一個成功的實驗。左邊是通過病人超聲波導圖看疾病情況。在右邊的圖上方，能夠看到心臟里的圖像，能夠看到他不適的地方是哪，在哪個地方進行精確的實驗和手術。醫(yī)生看著傳回來的圖像，就把體外設備放進體內一直到心臟的部分。
導管很軟，同時非常靈活。我們可以讓它以高清晰度看到心室和心室前端的所有圖像。我們可以控制微型機器人，讓機器人控制導管。通過這個技術，我們做到的不止是對于導管，特別是心導管的操作和控制。最近也把它使用在其他部分，比如進入到胃的底端，可以很清楚的進行胃的檢查。更重要的是，平時想要進行胃腸鏡的檢查，最難是進入到小腸部分。我們現(xiàn)在和香港的醫(yī)生共同合作，實現(xiàn)了一個6米長的磁導性的導管，可以實現(xiàn)30分鐘體內移動。
下面看一下軟性機器人。它在過去5-10年非常受歡迎。這類有使用比較柔軟的高分子材料制造，還有以生物為導向的技術和材料生成，我認為這也是未來機器人發(fā)展的領域，也就是所謂高軟性機器人。與此同時，大型軟性機器人是否可以做小，做到特別微型，比如能夠幫我們做到縫細胞。
在我們把機器人做得越來越小的過程中，物理特性會發(fā)生改變。我們還使用磁場，但是磁場的使用在微型量級就不能是同樣的物理屬性。自然給了解決方案。在1973年我們才真正了解到細菌有自旋的機制，這是非常有意思的運動機制。這種運動機制，讓我們能讓微型機器人模擬大腸桿菌或者其他菌體運行。
現(xiàn)在開發(fā)的人工菌體，它的鞭毛非常小，同時是雙旋的結構，能在液體中自由流動，可以通過磁場進行非常精準的操作。我們做了一些更小的微型機器人，和人的毛發(fā)相比，它大概就是15-20微克，大概是紅細胞的大小。我們現(xiàn)在做的非常小的柔性機器人，同時可以在各種液體還有高分子的鏈當中都進行使用。
2012年的吉尼斯世界記錄也記錄了ZTH的最微型的機器人，現(xiàn)在我們還在不斷的縮小機器人的尺寸。
在開發(fā)了機器人之后，不僅僅要關注它的運動，也希望它能帶來有效的應用。過去幾年我們一直在想如何用機器人進行給藥，專門針對身體的某一個病灶進行。
我們把機器人使用特殊材料包覆，上面有單獨的DNA，這DNA上帶著黃色熒光蛋白。我們所做的是，讓小的柔性微型機器人與人的腎臟細胞進行結合。我們看到，細胞會攫取了機器人攜帶的DNA，上面有熒光蛋白，我們就可以了解到細胞的轉染，同時更好的了解這些細胞的基因表達。
微型機器人還可以做其他的應用，比如，有沒有辦法能夠對藥物進行精準的控制，是否使用形狀變化的物體來進行藥物控制。比如說水凝膠，它在溫度變化時就會發(fā)生相應變化。我們幾年前開始做一種實驗，探討是否有一種機制，能使用磁場的方式進行藥物溫力的控制。如果打紅外線，就可以讓水凝膠進行加熱，它最終可以釋放出有效的藥物分子，在體內進行精準的藥物給藥。
在我們進行研究的過程中，我們發(fā)現(xiàn)做的不僅僅是針對機器人的使用，也在探討自然，在自然界中有不同形態(tài)的微型生物體。這是在過去幾年我們發(fā)現(xiàn)的不同細菌形態(tài)和細胞形態(tài)。有一種寄生蟲它有不同的形態(tài)，它從蒼蠅進入到人體，會造成睡病。它有一個非常有意思的形態(tài)，可以在人的身體內實現(xiàn)盡情的流動。當它達到某一個生命的周期，就會出現(xiàn)體內沉睡，然后生存，再不斷復制本身的細胞，再次開始全新的生命周期。
我們不希望機器人這樣做，但覺得可以學習這種機制。自然界有很多微型生命體，它們有不同的形態(tài)，我們就在想，微型機器人是否可以做到這一點。
微型機器人可以在形態(tài)學上有改變，或者可以改變自己的形態(tài)。比如在溫度的變化下，調節(jié)它們的形態(tài)變化。這種變化能不斷的優(yōu)化設備，讓它們達到更好的移動性，讓它們更好的實現(xiàn)高速度的運動，或者可以實現(xiàn)像寄生蟲或者一般病菌移動的過程。
從我們的角度來說，這樣可以開發(fā)技術來實現(xiàn)各種形態(tài)的機器人操作。可以控制它們的行為，找到最好的移動點。
除此之外，我們也在探討如何把微型機器人用于導管還有內窺鏡技術，從而幫助我們更好的了解，如何通過磁場的方式實現(xiàn)導管可靈活性的使用和導入，或者用小的導管就可以實現(xiàn)微型手術，使用內窺鏡就可以實現(xiàn)小腸的窺探。
微型機器人可以幫助我們了解如何設置導管和材料。我們現(xiàn)在能夠實現(xiàn)初步建模，了解不同磁場之間的作用，能實現(xiàn)導管在結構上的形態(tài)變化，而不再使用傳統(tǒng)的內窺鏡所使用的導管。這從臨床角度說是可以實現(xiàn)的，現(xiàn)在市場上已經有了兩個系統(tǒng)可以出現(xiàn)磁導管，可以幫助我們了解到，使用導管時在體內發(fā)生不斷的形態(tài)變化，幫助我們做給藥或者對纖維的控制。
最近我的一個博士生正在使用非常小的磁的支氣管鏡檢。他使用的是非常好的磁場檢查，非常小的支氣管鏡，使內窺鏡進入到支氣管底部。它是非常小的導管，直徑只有2微米，可以進入體內看肝細胞是否出現(xiàn)任何癌化的過程，并且抽樣進行活檢。
我了解到，中國的肺癌是很嚴重的疾病，而我們做了很多工作，希望推動肺癌的治療。用微型機器人能夠進入到肺的底部，比現(xiàn)在內窺鏡進入的維度還要深得多。
除了做手術之外，我們能夠通過在外部控制微型機器人，讓它們在肺部進行自由的行動。由于柔性材料具備翻滾能力，所以不用擔心，它能一直能進入到肺的最底部，比目前所有市場上設備進入得都要深。
另外，把傳統(tǒng)機器人引入到新的新型機器人里，同時還可以創(chuàng)造一些新的可彎曲的構造，幫助我們實現(xiàn)現(xiàn)在在轉動外科手術上所不能達到的病灶深度。
剛開始的時候我說了科幻小說中出現(xiàn)的場景，但實際上，現(xiàn)在也發(fā)明了截斷微型柔性機器人，它能進入到身體不同部分，并且把其中幾段進行自動的分割，以達到給藥和治病的目的。當然，問題在于：
第一，如何進行藥物的裝取
第二，要用什么樣的納米材料進行構造
第三，如何控制體內溫度、酸堿值以及所有能夠控制給藥和切斷的工具、條件
關于如何給藥，我們還發(fā)明一個小型機器人，能夠自動降解，進入到你的體內可以待數(shù)月或者數(shù)日。另外我們考慮如何讓這些機器人給藥過程中不至于傷害到其他的細胞。
我想跟大家強調的一點是未來是無限的，講到微型納米機器人，它是一個很小很新的學科，我們對它的研究也不超過15年。我們在動物的身上做了實驗，但如果在人的身上做實驗，是更加復雜的過程，不光是進行一個簡單的導管設備。
我們未來還有哪些問題要解決呢？
現(xiàn)在還存在感知的問題，另外還要解決一些物理的材料問題。但還有一些非常基本的問題，是沒有辦法解決的。這個學科每周都有新的論文發(fā)表，解決現(xiàn)在所出現(xiàn)的問題，但還有很多工作沒有做。
我們也依然在跟醫(yī)生了解，看微型醫(yī)療機器人在醫(yī)學上的應用在哪里，而且也在他們那里拿到一些反饋，看他們現(xiàn)在的醫(yī)療難題是什么，我們能為他們做什么。另外，如果能創(chuàng)造出許許多多小型微型機器人就能創(chuàng)造出一些大的不同，我們現(xiàn)在已經把8000個小的微型機器人聯(lián)系在一起了。大家還看到現(xiàn)在3D柔性打印也變成可能了，這種柔性打印機也為我們做醫(yī)療機器人提供了可能。
我們的研究團隊正在加大投資力度和科研力度，跟新材料的科學家進行溝通，找到更多的新材料。如果我們再回過一步看醫(yī)療機器人領域，實際上在2001年醫(yī)療機器人就有了很大的突破，從2001年到現(xiàn)在有16年時間，我們看到商業(yè)的成功、療法上的成功。許多在醫(yī)療機器人領域工作的人，將毫無疑問繼續(xù)推進他們的工作。
在這個過程中也有新的點子和想法，可能一個機器從最初研究到實現(xiàn)商業(yè)化最少20年。對我們來講，使命還非常艱巨，現(xiàn)在有更多微型醫(yī)療機器人，有時候要改變技術，有時候要改造機器人的構造。
想法很簡單，但要真正實現(xiàn)這個過程，并且要培訓外科醫(yī)生如何更好使用小型或者微型機器人，幫助他們做手術，實際上是更困難的任務。
當然，疾病也是一個復雜的過程，從科學上講小型機器人也只能是盡自己的一點小力。
研究也需要極大的科研資金的投入，尤其是政府的法律法規(guī)的支持，來幫助我們獲得更多的關于醫(yī)療微型機器人科研方面的投資。毫無疑問，全世界廣泛的使用醫(yī)療機器人，它將會讓更多的病人用更好的方式被做手術，我們也需要找到新的設備把治療的時間變短，把整個治病的過程變得更加的可負擔。這是我們未來研究的方向。
最后一點關于我們未來可能要研究的方面，要說的是，今天世界上大多數(shù)人還是沒有辦法獲得高質量或者優(yōu)質的外科醫(yī)生，幫助他們診斷自己的疾病。哈佛醫(yī)學院發(fā)現(xiàn)，30%-40%人類疾病都是需要通過外科手術解決。
現(xiàn)在我們的錢都投入到艾滋病、肺炎還有其他疾病，而這些疾病只是全球犯病人數(shù)的10%。所以我們必須提供越來越多的微型醫(yī)療機器人，讓它們協(xié)助外科醫(yī)生自主做手術，解決全球人們所需要解決的醫(yī)療問題。作為醫(yī)療服務的提供者，必須要把外科手術帶給更多的發(fā)展中國家，給那些沒有機會獲得手術的人，給第三世界國家的患者。
未來微型醫(yī)療機器人的前景很光明，我們必須把問題想得更深更遠，如何能降低治療的成本，提高整個手術的效率，尤其是如何能夠在第三世界去實現(xiàn)這些目標。
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