微創手術-未來的微型機器人醫生

讓機器人醫生鑽進你的體內看病？這個異想天開的主意正逐步成為現實。用微型機器人實現藥品傳送、外科手術、智慧植入、動態環境分析。


如果沒有後文的解釋，那麼下面這幅場景一定非常古怪：2006 年 10 月，在蒙特利爾的一個寒冷的深夜裡，一些工科學生和他們的導師 Sylvain Martel 圍坐在一間房間裡，通過核磁共振機觀察一隻被麻醉的豬。肅靜的氣氛不時被喘息和掌聲所打斷。


一位醫院技師用導管在豬的頸動脈注射了一顆鋼珠，與圓珠筆筆尖的鋼珠大小相仿。經過幾分鐘毫無動靜的艱難等待之後，人們在電腦螢幕上觀察到，鋼珠開始跳動，而且跳躍軌跡與實驗團隊之前標繪出來的一模一樣。


在活體生物的血管中無線操縱物體，這還是頭一回；而對於微型自動機器領域來說，這可謂是新紀元的曙光—雖然規模要小得多，但這一成就依然不亞于登月成功。


全世界範圍內的眾多研究團隊，目前正致力於相關概念驗證的研究，意在取得更大的進步：在未來開發出微型機器人，在大到動脈、小到毛細血管的活體血管中都可以自由行動，而當前很多必須要通過開刀手術才能實現的醫療操作，也可以由微型機器人來完成。



已經問世的機器人醫生

Martel 博士在科技雜誌 IEEE Spectrum上發表的一篇論文中指出，現在已取得的進步可以用來治療癌症；在治療過程中，機器人可以被用來向腫瘤部位直接施放藥物，從而只殺死癌變細胞，不影響到其他健康的細胞。


但要實現此項醫療應用的挑戰也是複雜多樣的。Martel 指出，解決這些挑戰「需要諸多學科的通力協作」。血液是具有粘性的，而讓這麼小尺寸的機器人能夠自由地在血液裡流動，是物理學的難題；而微型機器人的動力供應和電腦成像，則是工程學的挑戰。此外還有生物學的問題：由於機器人可能最終無法從人體中取出，所以製作機器人的材料，不僅需要對生命無毒害，而且最好還是人體能夠自行吸收分解的。


多倫多大學的機械工程學教授 Eric Diller 表示，當下科技尚不能製造出滿足尺寸要求且還能正常工作的微型機器人。即使科技經過發展做到了這一部分，也沒辦法為機器人提供充足的動力，況且也還製造不出來足夠小的機器元件。不過，研究人員取法自然：他們參照細菌，設計出了仿生微型機器人。


「細微生物所體驗到的環境，與我們這些大體積生物感知到的全然不同，」Diller 博士指出：「如果是小生物在水裡游泳，那麼水面看上去就會很濃稠，所以小生物在水裡游泳的方式就勢必和我們不同。比如很多種類的細菌都是用鞭毛游泳的，而我們也看到，魚類比細菌大得多，它們的游泳方式就不同於細菌。


在今年的早些時候，Diller 的團隊公佈了他們最新的研究進展：他們製造出了只有一毫米大小的機器人，並為之配備了兩隻機械臂，通過磁場力來驅動和控制。這樣，多個機器人就可以搭成一座橋。Diller 指出，微型機器人並非只能應用於傳送藥品；它們甚至可以在人體的脈管系統和器官裡修復生理組織。


有肌肉的機器人

伊利諾大學厄本那—香檳分校的本科生 Caroline Cvetkovic 正在做一項與上文相似的工程項目——讓機器人用自己的肌肉行走。Cvetkovic 的團隊先是用水凝膠製作微型機器人的脊柱，然後再利用骨骼肌細胞的電子脈衝，讓機器人動起來。


「我們仿照許多哺乳動物身上的肌肉-筋腱-骨骼生理系統而為機器人設計了這一系統，」Cvetkovic 用電子郵件向我闡釋原理：「該系統不僅合乎生理原則，還模仿生物使用能量的方式來發力和行動。以人體為例，當一塊肌肉收縮時，力量會通過相連的肌腱傳送到骨頭上。而我們的仿生機器人，當肌肉細胞收縮（通過電刺激的方式）時，該動作會產生一種向內的力，經橫向骨骼傳送至縱向骨骼。由於機器人的骨骼是由柔韌的水凝膠製成的，因此在力量足夠大的時候，骨骼可以彎曲變形。如果一根縱向骨骼（或者說是機器人的一條『腿』）比另一根縱向骨骼（腿）更長，那麼前者比後者移動的幅度就更大，因而我們就可以觀察到仿生機器人的定向移動（比如走路）。


Cvetkovic 預想：「未來將會製造出一批可用於醫療的生物機器人，具備藥品傳送、外科手術、智慧植入、動態環境分析和其他數不清的應用功能。」


Robert Woods 是一位電氣工程師，他建造了哈佛大學微型機器人實驗室，正致力於研究一種機器蜜蜂。這種一次性使用的機器蜜蜂成本低廉，用途包括農作物授粉、從事搜救行動，以及探測危險物品。Woods 指出：「如果你想製作出一種會飛的東西，在大自然裡，現有的就有幾十萬種製作方法了。但我們不是大自然的搬運工。我們一直在努力理解生物的結構、活動和行為背後的來龍去脈，並且將之轉譯為工程學的語言。」


將時間回溯到 1959 年，諾貝爾物理學獎得主 Richard Feynman 做了一場著名的演講。在演講中，他描述了他的一位朋友的「異想天開」，即「如果你能把醫生吞下去，讓醫生在體內動手術的話，那一定非常有意思。」


Feynman 給設立在加州理工學院的美國物理學會提了一個問題：「怎樣可以製造出那麼小的機械？這個問題歸你們了。」


在數十年後的今天，來自不同學科領域的研究者們仍然在努力解決該問題，但是曾經的幻想在今天看來不再是異想天開了。機器醫生可以通過注射而非吞咽的方式進入人體，不過它的尺寸比 Feynman 自己描述的還要小，而且或許會比我們所能想像到的更靈巧。



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