徜徉在人體里的小小機(jī)器人

林夕

在1966年上映的美國科幻電影《神奇的旅程》中，幾位美國醫(yī)生將潛水艇縮小到比紅細(xì)胞還小，并通過血管把它送入大腦，來清除堵塞大腦的血塊，最后成功拯救了一名科學(xué)家的生命。

從這部電影中，我們不難看出，用微型機(jī)器人治病的概念早就出現(xiàn)了。在過去，這種想法只能出現(xiàn)在科幻作品中，然而隨著科技的發(fā)展，微型機(jī)器人植入人體的暢想也許馬上就要實(shí)現(xiàn)了。

不久的將來，當(dāng)我們?cè)卺t(yī)院看病時(shí)，醫(yī)生不需要開藥和做手術(shù)，而是往我們的身體里注射微型機(jī)器人。這些機(jī)器人可以自由地在人體內(nèi)穿行，疏通被斑塊堵塞的動(dòng)脈，進(jìn)行活體組織檢查，或者從內(nèi)部治療癌癥和腫瘤。

“微小”的挑戰(zhàn)

理想的醫(yī)用微型機(jī)器人的大小和人類細(xì)胞差不多，相比于傳統(tǒng)的醫(yī)療手段，比如：外科手術(shù)和導(dǎo)管插入等，微型機(jī)器人幾乎不會(huì)造成人體組織損傷。通過瞄準(zhǔn)體內(nèi)特定目標(biāo)、定向給藥，微型機(jī)器人也可以大大減少藥物副作用。

雖然醫(yī)用微型機(jī)器人的好處多多，不過真的實(shí)現(xiàn)它可沒那么容易。微型機(jī)器人和傳統(tǒng)機(jī)器人的最大差別在于它們的體積非常小?！拔⑿　钡捏w積是一把雙刃劍，在帶來優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也帶來了嚴(yán)重的限制。可注射到人體里的微型機(jī)器人的體積太小，無法輕易集成任何電源、傳感器或計(jì)算機(jī)電路。一些大型機(jī)器人擁有的特點(diǎn)，比如：運(yùn)動(dòng)能力和人工智能等，微型機(jī)器人都很難具備。我們?cè)囅腴_頭的微縮潛艇，跟細(xì)胞差不多大小的潛艇上無法安裝電機(jī)，潛艇的螺旋槳也就毫無用處，而且出于對(duì)人體組織的保護(hù)，傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)（如水下螺旋槳推進(jìn)器）也不能應(yīng)用在體內(nèi)機(jī)器人上。在濃稠的血液中，潛艇如何前進(jìn)就成了最大的問題。

另外，在微小的尺度下，與表面積相關(guān)的效應(yīng)更加明顯，這也進(jìn)一步限制了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。任何的物體都有體積和表面積，表面積與體積所成的比例很重要。一般情況下，物體越小，這個(gè)比例就會(huì)越大。因此，在微觀尺度上，與表面積成正比的效應(yīng)（比如空氣阻力）影響更大，而與體積相關(guān)的效應(yīng)（比如重力和慣性）所起的作用較小。例如，一些昆蟲的體積很小，表面積與體積比較大，它們可以從高處墜落而安然無恙，因?yàn)槔ハx下降時(shí)受到空氣阻力的影響較大，因此，它們下落時(shí)的最終速度會(huì)大大降低。

除了體積小帶來的挑戰(zhàn)，微型機(jī)器人的生物可降解性和生物相容性也是關(guān)鍵因素。因?yàn)槲⑿〉漠愇锊粦?yīng)該永久地留在人體內(nèi)，不能讓它們引起嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，所以任何進(jìn)入人體的材料都需要嚴(yán)格的篩選。

激活微型機(jī)器人

面對(duì)挑戰(zhàn)，科學(xué)家們想出了五花八門的微型機(jī)器人激活方法。第一種是聲波驅(qū)動(dòng)，振蕩的聲波作用在微型機(jī)器人周圍的液體上，造成局部液體兩側(cè)的壓力不同，使微型機(jī)器人移動(dòng)。另外還有化學(xué)驅(qū)動(dòng)，這種方法利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的微氣泡，來提供推進(jìn)力。

自身含有能量和移動(dòng)能力的活體細(xì)胞也可以為微型機(jī)器人提供動(dòng)力，比如：某些細(xì)菌和肌細(xì)胞等。工程師可以將活細(xì)胞與人工制造的微型裝置結(jié)合在一起，通過改變周圍環(huán)境的溫度、酸度和光照條件等來遠(yuǎn)程控制它們。然而，這種方法的問題是它只能在受控制的環(huán)境中使用，并且人體環(huán)境的改變不能太大。

最受歡迎的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式是磁力。工程師將磁性材料嵌入機(jī)器人的內(nèi)部，然后通過外部磁場操縱微型機(jī)器人。為了產(chǎn)生較大的磁場，工程師將可移動(dòng)的磁體或者電磁線圈放置在人體外，磁場可以完全無害地作用于人體。改變磁場的方向和梯度，會(huì)對(duì)微型機(jī)器人施加力和扭矩（使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩），使其沿著期望的軌跡運(yùn)動(dòng)，磁場的方向和梯度的變化情況決定了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式。

旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)和滾動(dòng)

除了微型機(jī)器人的激活方式外，試驗(yàn)中的微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式也各不相同。由于大部分人體環(huán)境是液態(tài)的，所以微型機(jī)器人需要具有在流體環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的能力。一些研究人員從自然界中尋找解決方案，并注意到許多微生物都是利用鞭毛（長在某些細(xì)菌菌體上具有運(yùn)動(dòng)功能的蛋白質(zhì)附屬絲狀物）來推動(dòng)自身的。以鞭毛為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的螺旋狀微型機(jī)器人會(huì)在旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動(dòng)下，像螺旋鉆一樣，旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。然而，旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式適合液體環(huán)境，卻不適合人體內(nèi)的粗糙、粘性表面（比如胃黏膜）。

最普遍的一種運(yùn)動(dòng)方式就是利用磁力梯度讓微型機(jī)器人滑動(dòng)，磁力梯度會(huì)將磁性物體拉向磁場更強(qiáng)的區(qū)域。但是在粗糙的表面上，在磁力梯度作用下的滑動(dòng)會(huì)受到很大的阻力，比如摩擦力。因此，雖然滑動(dòng)在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)得很好，卻不適合實(shí)際應(yīng)用。

另外還有滾動(dòng)（翻轉(zhuǎn)）的運(yùn)動(dòng)方式等。既然旋轉(zhuǎn)磁場可以用來旋轉(zhuǎn)人造鞭毛，它也可以用來旋轉(zhuǎn)薄塊狀的物體。制成長薄塊狀的微型機(jī)器人受到磁轉(zhuǎn)矩的作用，會(huì)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，此時(shí)微型機(jī)器人的某一邊與接觸表面間的摩擦力，使這一邊牢牢地“抓住”了表面，另一邊則向前方翻轉(zhuǎn)，微型機(jī)器人便開始前進(jìn)了。通過這種運(yùn)動(dòng)方式，微型機(jī)器人可以在形如溝壑的胃表面自如地前行。

微型機(jī)器人既可以擁有一種運(yùn)動(dòng)方式，也可以擁有多種運(yùn)動(dòng)方式。例如，2016年，瑞士蘇黎世理工學(xué)院的研究者就使用具有生物相容性的水凝膠和磁性納米顆粒制作出了螺旋狀的微型機(jī)器人，該機(jī)器人在磁場作用下，在液體環(huán)境中，以旋轉(zhuǎn)的方式前進(jìn)。而2018年，德國馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)的微型機(jī)器人既能夠在不平坦的表面滾動(dòng)、跳躍或者爬行，也能在液體環(huán)境中游動(dòng)。與螺旋狀微型機(jī)器人類似，該微型機(jī)器人在長度僅為4毫米（不到手指甲寬度的一半）的彈性硅片中嵌入了磁性粒子，研究人員通過外部磁場控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

群體合作與執(zhí)行任務(wù)

為了使微型機(jī)器人有更好的應(yīng)用效果，科學(xué)家希望能夠讓一群機(jī)器人共同工作，就像蟻群一樣。例如，多個(gè)微型機(jī)器人共同協(xié)作，可以攜帶更多的藥物，進(jìn)入人體。然而實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人的合作仍面臨挑戰(zhàn)，現(xiàn)在的磁場控制技術(shù)不能單獨(dú)地指揮機(jī)器人分別運(yùn)動(dòng)，所有機(jī)器人都受同一個(gè)大磁場控制。目前，科學(xué)家正在研究小范圍驅(qū)動(dòng)的微型電磁場技術(shù)，希望在未來能夠協(xié)調(diào)控制多個(gè)微型機(jī)器人。

當(dāng)我們能夠完美地控制和移動(dòng)微型機(jī)器人時(shí)，下一階段的挑戰(zhàn)就是讓機(jī)器人執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)了。目前微型機(jī)器人只能做一些簡單動(dòng)作，比如推動(dòng)、抓住物體。為了完成預(yù)想的醫(yī)療任務(wù)，微型機(jī)器人的操作能力必須得到提升。

隨著微型化技術(shù)的進(jìn)步，在不太遙遠(yuǎn)的將來，由微型機(jī)器人組成的團(tuán)隊(duì)會(huì)在血管中游動(dòng)，探索身體的各個(gè)角落，并在行進(jìn)中運(yùn)送治療藥物、修復(fù)細(xì)胞。