Feynman's Rhapsody : Le « chirurgien » qui peut pénétrer dans le corps

En 1959, le prix Nobel de physique Richard Feynman a prononcé un discours intitulé "Il y a beaucoup de place en bas" au California Institute of Technology, et a été le premier à imaginer la possibilité de microrobots à l'intérieur du corps.

Dans la conjecture de Feynman, ce type de micro-robot est piloté par un système micro-électro-mécanique (MEMS) et peut pénétrer dans le corps pour effectuer une intervention chirurgicale. À cette époque, Feynman disait : « Si nous pouvons avaler un chirurgien, alors de nombreuses opérations complexes peuvent devenir très intéressantes et simples. »

Peut-être que l'influence de Feynman était trop grande, dix ans plus tard, la communauté de la recherche scientifique Avant de mener des recherches, directeur américain. Richard Fleischer a transposé l'idée de Feynman dans le film classique de science-fiction "Fantastic Voyage". Dans le film, cinq médecins ont été réduits à un millionième de leur taille d'origine et injectés à un patient en danger de mort dont les vaisseaux sanguins cérébraux étaient endommagés. Après une série d'aventures, ils ont finalement réussi à trouver le point de saignement et à sauver le patient à temps. . a coûté la vie au patient.

Mais les micro-robots capables de pénétrer dans le corps humain peuvent-ils n’être qu’un fantasme ? La réponse est évidemment douteuse.

Depuis que Feynman a proposé le concept de « chirurgien in vivo », les scientifiques ont été attirés et inspirés par cette idée, ont investi dans la recherche de micro-robots et ont obtenu de nombreux bons résultats. Les scientifiques imaginent qu’à l’avenir, les machines pourront réellement pénétrer dans le corps humain pour réaliser une thérapie ciblée et administrer des médicaments, et aider à traiter des maladies majeures telles que les tumeurs.

1. Robot "Slime"

Il y a quelque temps, un micro-robot slime à commande magnétique appelé "Slime" est devenu populaire sur New Scientist.

Il est fait d'un matériau de mucus magnétique et peut être introduit dans le corps pour éliminer les petits appareils avalés accidentellement. Dès sa sortie le 1er avril, il a immédiatement fait sensation dans la communauté technologique. Les internautes ont été choqués et le taux de clics a rapidement dépassé les 100 000, 1 000 000 et 10 000 000 :

Différent de nos robots communs, ce robot est son. L'apparence, les mouvements et les capacités ressemblent tous davantage à un « monstre », ce qui est très différent de la « machine » et de l'« humain » que nous imaginons, qui sont faits de matériel rigide et ont des traits du visage et des corps qui ressemblent à des humains.

Selon la Démo, il ressemble à un morceau de pâte noir, sans tête, sans visage, sans mains ni pieds. Son corps est mou et son apparence change.

Mais malgré son apparence laide, ce robot « slime » a une variété de fonctions uniques. Il peut transformer son corps mou, passer à travers des espaces étroits, réparer les fils cassés et peut également dévorer le tube digestif humain. ont été avalés.

Même s'il est coupé en plusieurs morceaux puis recollé, il a toujours la capacité de « s'auto-guérir ».

Le robot « Slime » a brisé les impressions traditionnelles de la plupart des gens sur les « robots », et avec sa sensation futuriste cool et sa puissance potentielle, il a amené les « microrobots à l'intérieur du corps » aux yeux du public.

Le professeur Zhang Li de l'Université chinoise de Hong Kong, l'un des développeurs du robot « Slime », a déclaré que la capacité « d'auto-guérison » est également l'une des directions de recherche actuelles dans le domaine des robots mous, principalement reflétée dans sa grande adaptabilité à différents environnements. La puissance du robot « Slime » n'est pas seulement qu'il peut se guérir après avoir été coupé, mais aussi qu'il peut conserver sa forme complète même s'il est placé dans un liquide, et peut même voyager sans entrave dans l'air et dans des environnements solides. .

Légende : Zhang Li, professeur au Département de génie mécanique et automatique de l'Université chinoise de Hong Kong

En fait, ces dernières années, les résultats de recherche sur les micro-robots se succèdent, comme le vol des robots entraînés par des micromoteurs et gros comme des mouches/coléoptères. Différent d'eux, la caractéristique unique du robot « Slime » est que de la poudre magnétique et des particules magnétiques sont ajoutées au matériau liquide non newtonien pour obtenir un contrôle du champ magnétique, le rendant flexible et même capable de se déformer librement.

La capacité « d'auto-guérison » affichée par le robot « Slime » repose également sur les caractéristiques du matériau lui-même, couplées au guidage magnétique externe, et à l'interaction de polymères rapprochés après que le « corps » soit coupé. encore.

Il convient de noter que le robot "Slime" n'a actuellement pas la capacité de se déplacer de manière autonome. Son mouvement et son expansion dépendent du champ magnétique externe pour contrôler l'aimant en néodyme à l'intérieur (qui peut être compris comme une "puissante petite boule magnétique". ).

"Le robot "Slime" lui-même n'a pas de forme fixe. Il ressemble à du slime. Après avoir ajouté un champ magnétique, il répondra au champ magnétique. Vous déplacez l'aimant de gauche à droite, et il suivra l'aimant de De gauche à droite. En raison de l'ampleur de la force magnétique, il peut facilement changer de forme. Par exemple, si quelqu'un avale accidentellement un composant nocif, il peut être transformé en main pour le saisir. Revue de la technologie de l'IA.

C'est également la première fois que le Laboratoire de nanomatériaux avancés et de microrobotique (ANML) dirigé par Zhang Li produit un robot visqueux magnétique. Auparavant, l'ANML a produit de nombreux types différents de micro-nanorobots, y compris des robots insectes bioniques imprimés avec la technologie 3D, qui sont tous contrôlés à distance sur la base de champs magnétiques. "Mais les robots ressemblant à du slime comme le robot 'Slime' ont des déformations très importantes." , qui peut être enroulée comme une trompe d'éléphant », a déclaré Zhang Li.

Ce qui est encore plus étonnant, c'est que Sun Mengmeng, le premier auteur de l'ouvrage et chercheur postdoctoral en service au laboratoire de l'ANML, n'a mis que six mois entre son arrivée à l'ANML, le début de la recherche et du développement et la publication de l'article.

Illustration : Dr Sun Mengmeng

« C'est principalement parce que Sun Mengmeng avait déjà quelques idées lorsqu'il était doctorant à l'Institut de technologie de Harbin (sous la tutelle du professeur Xie Hui). Après être venu ici, avec Avec l'aide de notre groupe de recherche, il a travaillé sur les matériaux connexes et le magnétisme. Avec beaucoup d'expérience accumulée dans les opérations de contrôle, le projet progresse sans problème", a déclaré Zhang Li.

Considérant la complexité de l’environnement interne du corps humain, l’équipe de Zhang Li a imaginé que le robot « Slime » pourrait avoir un certain espace d’application dans le tube digestif. Il y a plusieurs raisons principales : Premièrement, la cavité du tube digestif est grande. Le robot « Slime » circulera plus facilement à l'intérieur ; deuxièmement, le tube digestif humain possède déjà de nombreuses flores microbiennes, donc le risque d'essayer un robot à l'intérieur du corps est relativement faible ; a été testé pour sa cytotoxicité, a une faible toxicité et est théoriquement sans danger s'il ne reste dans l'organisme que pendant une courte période, puis est excrété.

Bien sûr, l'idée d'utiliser des robots « slime » comme actionneurs de traitement internes est encore à un stade conceptuel et nécessite une exploration plus approfondie.

2. Développement de micro-robots à l'intérieur du corps

Les performances des robots « slime » sont gratifiantes, mais si l'on regarde l'histoire du développement de ce type de micro-robots capables de pénétrer dans le corps, cela ne dure que quelques décennies. .

Dans les années 1970, afin de promouvoir la recherche classifiée, l'agence de renseignement américaine a tenté de concevoir des micro-robots capables d'effectuer des tâches d'assistance aux prisonniers de guerre et d'interception électronique. Cependant, la technologie sous-jacente n'était pas encore entièrement développée. À l'époque, les prototypes de micro-robots n'étaient pas développés à partir de cet ensemble. Les premiers calculs et concepts ont été développés.

Il a fallu attendre le 21ème siècle pour que les micro-robots soient officiellement lancés. Avec le développement de domaines multidisciplinaires tels que la microélectromécanique et les microactionneurs, les microrobots ont réalisé d'importantes avancées technologiques et sont progressivement devenus un haut lieu de la recherche internationale.

Légende : Micro-robots bioniques

Par rapport aux robots à grande échelle étudiés depuis plus d'un demi-siècle, le développement des micro-robots n'a duré que plus de 20 ans, et il n'en existe qu'un Une poignée de « micro-robots capables de pénétrer dans le corps ». Tant en Allemagne qu'à l'étranger, elle en est à ses balbutiements.

Il existe différentes catégories de micro-robots. Parmi eux, les micro-robots médicaux sont considérés par l'industrie comme le domaine d'application le plus prometteur. L'Institut japonais de recherche sur les politiques scientifiques et technologiques a prédit qu'« à l'avenir, les interventions chirurgicales utilisant des microrobots et des robots dans le domaine médical représenteront plus de la moitié de toutes les interventions chirurgicales médicales ».

À l'étranger, le Japon a pris l'initiative d'adopter le plan « chirurgien robotique » et développe des robots ultra-micro qui peuvent voyager à travers les vaisseaux sanguins humains pour trouver et tuer les cellules cancéreuses. Le laboratoire John Hopkins du Maryland, aux États-Unis, a développé un dispositif de détection miniature équipé d'un thermomètre miniature en silicium et d'un circuit miniature. Lorsqu'il est ingéré dans le corps, les informations sur la température du corps peuvent être envoyées à un enregistreur. Des scientifiques suédois ont inventé un robot aussi gros qu'un signe de ponctuation anglais, capable à l'avenir de déplacer des cellules individuelles ou de capturer des bactéries pour effectuer diverses interventions chirurgicales sur le corps humain.

Des chercheurs nationaux ont également prêté attention à cette direction d'avant-garde très tôt, comme le professeur Sun Lining de l'Université de Suzhou et le professeur Liu Lianqing de l'Institut de recherche en automatisation de Shenyang. Dans le domaine des « robots in vivo », de jeunes chercheurs comme Zhang Li, professeur à l'Université chinoise de Hong Kong, et Xu Tiantian, chercheur à l'Institut de technologie avancée de Shenzhen, ne sont pas en reste et explorent de nouvelles opportunités de les deux grandes directions des matériaux et du contrôle.

En général, il existe trois éléments majeurs pour la réalisation de robots in-body : premièrement, la réalisation d'une forme de corps « micro » ; deuxièmement, des matériaux de sécurité qui s'adaptent à l'environnement interne et troisièmement, la « conduite autonome » ; technologie du robot à l’intérieur du corps.

Prenons l'exemple du robot "Slime". Sa plus grande avancée est le matériau. Il utilise de l'alcool polyvinylique et du borax aux caractéristiques fluides non newtoniennes, ainsi qu'une couche de silice. Sa viscosité change au contact du monde extérieur et il présente une grande adaptabilité à l'environnement. . Les deux peuvent s'étendre et explorer, et effectuer des manipulations multimodales.

Illustration : Versez un liquide non newtonien dans la piscine pour flotter sur l'eau

Cependant, la sécurité toxique du borax n'a pas encore été garantie. L'un des axes des recherches actuelles dans ce domaine est de savoir quels matériaux sont présents. Matériau plus adapté à la construction de micro-robots médicaux. Le matériau doit être flexible, doux pour la peau, non toxique, inoffensif, facile à éliminer du corps et facile à utiliser.

Le point de vue du professeur Zhang Li sur l'innovation et la sécurité est le suivant : « Parfois, les scientifiques et les médecins ont des idées différentes. Les médecins sont souvent plus conservateurs et considèrent souvent la sécurité en premier, tandis que les scientifiques mettent davantage l'accent sur l'innovation. Il doit y avoir des différences entre les deux. "Mais sur la scène médicale, il ne fait aucun doute que la sécurité doit être la première priorité.

En plus des matériaux, le contrôle du cheminement des micro-robots dans le corps est un autre problème qu'il faut résoudre de toute urgence pour devenir « chirurgien ». Ces dernières années, la recherche sur les microrobots in vivo a connu trois étapes de changement : du contrôle en boucle ouverte au contrôle en boucle fermée, d'un mode de mouvement unique à plusieurs modes de mouvement, et d'un robot unique à plusieurs robots. Le contrôle de grappes de micro-robots présente une valeur d'application pratique dans des scénarios médicaux in vivo et constitue également une tendance de recherche majeure dans le domaine de la robotique.

Par rapport à un robot unique, les microrobots en cluster présentent deux avantages majeurs :

Premièrement, réduire le taux de défaillance. Par exemple, pour l’administration de médicaments, la dose de charge des robots en essaim peut être augmentée. De plus, dans des environnements tels que le sang, un seul petit robot peut facilement être emporté par le sang ou englouti par les macrophages. À ce stade, le passage à un groupe de robots peut améliorer le taux de réussite du traitement. est facile à observer. Les robots d'aujourd'hui peuvent atteindre des échelles nanométriques, mais lorsqu'ils sont placés à l'intérieur du corps, il est extrêmement difficile d'observer clairement un seul robot à l'aide des équipements d'imagerie médicale existants. Tout comme en plongée, nous avons tendance à ignorer un petit poisson qui nage devant nous, mais nous sommes souvent choqués par un groupe de poissons sombres au loin.

3. Contrôle de trajectoire : "conduire" dans le corps

En termes de contrôle de trajectoire des micro-robots, Xu Tiantian, chercheur à l'Institut de technologie avancée de Shenzhen, Académie chinoise des sciences (appelé "Institut de Shenzhen de Advanced Technology"), est une "étoile montante" de la recherche scientifique.

Xu Tiantian est issu d'une formation en contrôle d'automatisation. Il a obtenu sa maîtrise et son doctorat à l'Ecole Centrale de Paris et à l'Université de Paris VI. Il a commencé ses recherches sur les micro-robots pendant son doctorat. Après avoir obtenu son doctorat en 2014, elle rejoint l'équipe du professeur Zhang Li à l'Université chinoise de Hong Kong en tant que chercheuse postdoctorale. En 2016, elle a officiellement rejoint l'Intelligent Bionic Center de l'Institut d'intégration de l'Institut avancé de technologie de Shenzhen. Elle est actuellement la seule scientifique de l'Institut avancé de technologie de Shenzhen à étudier le contrôle de trajectoire des microrobots médicaux.

Illustration : Chercheur Xu Tiantian de l'Institut de technologie avancée de Shenzhen

Du point de vue du professeur Xu Tiantian, la recherche sur le contrôle de trajectoire des micro-robots dans le corps peut être grossièrement divisée en trois directions : Premièrement, comment fabriquer des micro-robots -les robots bougent dans le corps ? La seconde est de savoir comment les faire bouger selon le chemin établi ? Troisièmement, comment les adapter à l’environnement complexe du corps ?

Si les microrobots sont comparés aux voitures, alors le mouvement suspendu du robot dans le corps équivaut à contrôler une voiture pour rouler dans les airs dans une ville complexe et animée. C'est extrêmement difficile et comporte des facteurs de risque de sécurité extrêmement élevés.

Il convient de noter que de nombreuses lois physiques du monde microscopique sont différentes de celles du monde macroscopique. Par exemple, en 1976, le physicien Nobel E.M. Purcell a proposé le « théorème du pétoncle », ce qui signifie que lorsqu'un pétoncle ouvre rapidement sa coquille puis la ferme lentement, en raison de l'inertie, le pétoncle sautera en avant lorsqu'il s'ouvrira rapidement. un « mouvement en avant » qui se succède. Cependant, dans le monde microscopique, la force d’inertie étant presque négligeable face à la viscosité, les actions d’ouverture et de fermeture de la coquille Saint-Jacques ne peuvent la faire avancer.

L'environnement interne du corps humain est aussi un monde microscopique. Comment faire bouger les microrobots à l’intérieur du corps ?

Xu Tiantian a travaillé avec l'équipe pour s'inspirer de la nature : l'un est Escherichia coli, qui est poussé vers l'avant par une queue en spirale, tout comme on tourne une vis, on tourne et on avance, l'autre est un sperme qui vibre avec souplesse en battant le sien ; la queue vibre vers l'avant. De ces deux manières, ils ont réussi à créer des robots en forme de spirale et des robots bioniques en forme de sperme, et à faire bouger les robots dans un environnement qui imite l’environnement à l’intérieur du corps.

Illustration : Le micro-robot "nage en hélice" vers l'avant dans le liquide

Cependant, cela ne suffit pas à faire bouger le robot dans le corps. Il est nécessaire de s'assurer que la trajectoire avant est sûre et ne peut pas s'étendre dans le corps...

Par conséquent, afin de garantir que le robot fait la navette « avec précision » dans le corps, contourne les zones dangereuses et assure la sécurité, il est il est particulièrement important d’étudier le contrôle de trajectoire des micro-robots. Et comme mentionné précédemment, le robot opère dans le corps en « avançant dans les airs », ce qui nécessite que le robot ait des capacités de mouvement 3D.

En 2019, l'équipe de Xu Tiantian a proposé un nouvel algorithme de contrôle de suivi de chemin, qui utilise la méthode de différenciation de chemin pour différencier un chemin donné en petits segments, lui permettant de trouver son segment le plus proche à chaque point pour le contrôler dans la direction de sa progression. Leur algorithme a réussi à réaliser un contrôle de trajectoire 3D pour des robots mous à entraînement magnétique de niveau millimétrique. Le travail associé a remporté le prix du meilleur article d'application de la Conférence internationale de l'IEEE sur les robots et systèmes intelligents (IROS) :

Dans le domaine du contrôle de trajectoire, Xu Tiantian. équipe Le contrôle magnétique est également utilisé. Le principal avantage du contrôle magnétique est qu’il peut être contrôlé sans fil : si le robot pénètre dans le corps, un chercheur ou un médecin humain peut effectuer l’opération en dehors du corps. Dans le même temps, le contrôle magnétique a un temps de réponse court, une densité de puissance élevée et une répétabilité élevée. Le robot peut atteindre la lésion plusieurs fois, éliminant ainsi le caractère aléatoire du taux de réussite.

Légende : Le dispositif de contrôle magnétique à plusieurs degrés de liberté de l'équipe de Xu Tiantian

Après avoir réalisé le contrôle de trajectoire 3D d'un seul robot, Xu Tiantian et son équipe s'orientent vers la recherche de contrôle collaboratif de plusieurs robots.

Xu Tiantian a expliqué à AI Technology Review qu'il existe deux difficultés majeures dans le fonctionnement d'un groupe de micro-robots basés sur un contrôle magnétique : Premièrement, les signaux d'entrée dans le même champ magnétique sont les mêmes, ce qui entraînera le fonctionnement de plusieurs micro-robots. se déplacent dans la même direction et à la même vitesse ; Deuxièmement, il y a un manque de communication entre les micro-robots et ils ne peuvent pas être contrôlés indépendamment.

Afin de résoudre ce problème, Xu Tiantian et son équipe étudient depuis de nombreuses années et ont finalement obtenu des résultats au début de cette année -

Ils ont proposé une méthode complètement découplée qui ne nécessite pas de communication, utilise des signaux externes unifiés pour percevoir le robot et résoudre comment détecter le même robot. Le signal produit des sorties différentes. Pour la première fois, un contrôle de position indépendant de quatre micro-robots souples magnétiques et un chemin indépendant suivant le contrôle de trois micro-robots souples magnétiques ont été réalisés. Des travaux connexes (« Stratégie de contrôle indépendante de plusieurs millirobots magnétiques flexibles pour le contrôle de position » et le suivi de chemin ») ont été publiés dans T-RO, le principal magazine international de robotique.

Légende : Contrôle de position indépendant des robots de niveau millimétrique : (a) contrôle de deux positions de robot ; (c) contrôle de trois positions de robot ; (e) contrôle de quatre positions de robot ; La trajectoire de position correspondante du robot

Ce travail a fait un grand pas en avant dans le contrôle collaboratif de plusieurs micro-robots. Cependant, Xu Tiantian a également déclaré à AI Technology Review qu'actuellement, ils n'ont réussi à contrôler indépendamment que quatre micro-robots et qu'à l'avenir, ils progresseront vers des objectifs plus ambitieux.

Il convient de noter que l'introduction d'algorithmes d'intelligence artificielle dans le contrôle des trajectoires devient également une tendance. Par exemple, Xu Tiantian et d'autres ont commencé à utiliser la méthode « d'apprentissage en largeur » proposée en 2016 par Chen Junlong, doyen de l'École d'informatique de l'Université de technologie de Chine du Sud, pour calculer et optimiser automatiquement le taux de contrôle des robots dans des environnements complexes. , obtenant ainsi un meilleur contrôle.

4. Imagination et réalité

Alors, combien de temps faudra-t-il avant que les micro-robots n'entrent dans le corps ?

Il ne fait aucun doute que la conjecture de Feynman est très avant-gardiste, et l’idée d’un « chirurgien interne » est également très fascinante.

Il y a quelque temps, Nature a également publié un article sur les perspectives des microrobots pour le traitement du cancer. Par exemple, les médicaments anticancéreux adoptent souvent une approche ponctuelle, avec des traitements traditionnels impliquant des injections intraveineuses de médicaments coagulants, qui comportent un risque de formation de caillots sanguins. Si la chimiothérapie détruit les tumeurs, elle attaque inévitablement les cellules saines, provoquant une série d’effets secondaires. L’alternative convoitée à ce dilemme consiste à injecter un microrobot à des personnes atteintes de cancer pour une thérapie ciblée et l’administration de médicaments.

Imaginant que des micro-robots puissent un jour pénétrer dans le corps pour traiter le cancer, Zhang Li a un grand enthousiasme et une grande motivation pour la recherche. Mais en même temps, les chercheurs sont également conscients du fait qu’il reste encore un long chemin à parcourir avant l’implantation des microrobots dans l’organisme. Par exemple, jusqu’à présent, aucun chercheur en Suisse ou à l’étranger n’a réellement implanté de microrobots dans le corps. Leifeng.com

La sécurité, l'éthique, la rentabilité, le contrôle des risques, etc. sont autant de problèmes que les gens résoudront à l'avenir.

Les scientifiques travaillent dur pour promouvoir la recherche et la mise en œuvre de robots internes. Zhang Li a déclaré à AI Technology Review qu'au cours des dernières années, le gouvernement de Hong Kong a investi 470 millions de dollars de Hong Kong pour construire un centre technologique d'innovation en matière de robots médicaux dans le parc scientifique de Hong Kong (photo ci-dessous), équipé d'équipements d'imagerie médicale technologiquement avancés, magnétiques. technologie de résonance et technologie des rayons X, etc., pour aider les scientifiques à mener à bien l'innovation et l'incubation technologique des robots médicaux.

L'image est fournie par le professeur Zhang Li

"Du point de vue de la recherche scientifique, je ne pense pas que le robot 'Slime' soit une innovation historique. Zhang Li a déclaré: "Nous préférons y parvenir." doter les microrobots d'intelligence, faire des percées dans les clusters de microrobots et les systèmes de contrôle, rendre les appareils plus sûrs, plus petits et plus intelligents, puis trouver ses débouchés d'application en médecine, le but ultime est de profiter aux êtres humains. "

Peut-être, Feynman. L'idée d'un « chirurgien in vivo » proposée dans les années 1950 sera concrétisée dans un avenir proche, elle pourra être appliquée à n'importe quelle partie du corps humain, comme le fond d'œil, la rétine et le tractus gastro-intestinal. vessie ou vaisseaux sanguins.

Attendons avec impatience ce jour qui arrive bientôt.

Lien de référence :

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00859-0

https://twitter.com/newscientist/status/1509599345255100417

https://www.siat .ac.cn/yjdw2016/rcdt2016/201912/t20191206_5449581.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Microbotics

https://cuhk.edu.hk/chinese/features/zhang_li.html

http://www.cuhklizhanggroup.com/

http://people.ucas.edu.cn/~xutiantian

https://m.xzbu.com/9/view-9606955.htm​

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