ファインマン狂詩曲：体内に入る「外科医」

1959年、ノーベル物理学賞受賞者のリチャード・ファインマンがカリフォルニア工科大学で「There is Plenty of Room at the Bottom」（最下層の研究にはまだ広大な空間がある）と題した講演を行った。体内にマイクロロボットができる可能性を思い描いた。

ファインマンの予想では、このタイプのマイクロロボットは微小電気機械システム (MEMS) によって駆動され、体内に入って手術を行うことができます。その時、ファインマンはこう言いました：「外科医を飲み込むことができれば、多くの複雑な手術は非常に興味深く簡単になるでしょう。」

おそらくファインマンの影響力はあまりにも大きいのです。10 年後、科学研究コミュニティの前に研究を行うことができたアメリカの監督リチャード・フライシャーは、ファインマンのアイデアを古典的な SF 映画「ファンタスティック・ヴォヤージュ」に仕上げました。映画では、5人の医師が元の大きさの100万分の1に縮小され、脳血管が損傷し命にかかわる患者の体に注射を行い、冒険の末、出血点を見つけて救うことに成功する。やがて患者の命を奪った。

しかし、人間の体内に侵入できるマイクロロボットは単なる空想に過ぎないのでしょうか?その答えは明らかに疑わしい。

ファインマンが「生体内外科医」という概念を提案して以来、科学者たちはこのアイデアに魅了され、触発され、マイクロロボットの研究に投資し、多くの良い成果を上げてきました。科学者たちは、将来、機械が実際に人体に侵入して標的療法や薬物送達を実現し、腫瘍などの主要な病気の治療に役立つようになると想像しています。

1.「スライム」ロボット

しばらく前に、「スライム」と呼ばれる磁気制御のスライムマイクロロボットが New Scientist で人気になりました。

磁性粘液素材で作られており、誤って飲み込んだ小型機器を体内に挿入して除去することができます。 4 月 1 日にリリースされるとすぐに、テクノロジー コミュニティに大きなセンセーションを巻き起こし、ネチズンは衝撃を受け、クリック率はすぐに 100,000、1,000,000、10,000,000 を超えました。このロボットは、一般的なロボットとは異なり、見た目、動作、能力において「怪物」に近く、私たちが想像する硬いハードウェアで作られ、顔つきを持った「機械」や「人間」とは大きく異なります。内側も外側も人間に似た身体。

デモ展示によると、その外観は黒い生地の塊のようなもので、頭、顔、手、足がなく、体は柔らかく、さまざまな形をしています。

しかし、この「スライム」ロボットは、その醜い外見とは裏腹に、柔らかい体を変形させたり、狭い隙間を通り抜けたり、切れたワイヤーを修復したり、人間の消化管内を移動したりするなど、さまざまなユニークな機能を持っています。誤って食べた電子部品は飲み込んで取り除いてください。

たとえいくつかの部分に切断されてから再びつなぎ合わされたとしても、依然として「自己修復」能力を持っています。

「スライム」ロボットは、これまで多くの人が抱いていた「ロボット」のイメージを打ち破り、そのクールな未来感と潜在的なパワーによって、「体内マイクロロボット」が一般の人の視野に入ってきました。

「スライム」ロボットの開発者の一人、香港中文大学の張立教授は、「自己修復」能力もソフト分野で現在人気の研究方向の一つであると述べた。ロボットは、主にさまざまな環境に対応する能力に反映されています。 「スライム」ロボットの能力は、切断されても回復するだけでなく、液体の中に置かれても完全な形状を維持し、空中や固体環境でも妨げられずに移動できることです。 。

イラスト: Zhang Li、香港中文大学機械自動化工学科教授

実は近年、ハエやカブトムシほどの大きさの飛行ロボットをマイクロモーターで駆動するなど、マイクロロボットに関する成果が次々と出ています。これらとは異なり、「スライム」ロボットの特徴は、非ニュートン液体材料に磁性粉や磁性粒子を添加することで磁場制御を実現しており、柔軟で自由に変形することも可能です。

ロボット「スライム」が発揮する「自己修復」能力も、素材自体の特性と外界の磁気誘導に依存しており、物体同士が相互作用して再び一つになります。

現在のところ、「スライム」ロボットには自律的に移動する能力がないことに注意してください。その移動と拡張は、内部のネオジム磁石 (「強力な小型磁石」と理解できます) を制御する外部磁場に依存しています。ボール"）。

「『スライム』ロボット自体には決まった形はありません。スライムのような形をしています。磁場を加えると磁場に反応します。磁石を左から右に動かすと、 「磁石を左から右に持ちます。磁力が大きいため、簡単に形状を変えることができます。たとえば、誰かが誤って有害な部品を飲み込んだ場合は、それを手に変えてパッケージをつかみます。」 Zhang Lixiang AIテクノロジーの紹介についてコメントしました。

Zhang Li氏が率いる先端ナノマテリアル＆マイクロロボティクス研究所（ANML）が磁性スライムロボットを製作したのはこれが初めてでもある。これまでANMLは、磁場に基づいて遠隔制御される3D技術でプリントされたバイオニック昆虫ロボットなど、さまざまな種類のマイクロナノロボットを製造してきたが、「しかし、『スライム』ロボットのようなスライム状ロボットは、非常に大きな変形をする。」 、象の鼻のように丸めることができます、これは初めてです」と張立さんは言いました。

さらに驚くべきことは、この論文の筆頭著者であり、ANML 研究室の現職博士研究員である Sun Mengmeng が ANML に入社し、研究開発を開始し、記事を公開します。

イラスト: 孫蒙蒙博士

「これは主に、孫蒙蒙がハルビン工業大学の博士課程の学生だったときにすでにある程度の知識を持っていたためです( 「アイデア。ここに来てから、私たちの研究グループの関連材料と磁気制御操作の豊富な経験のおかげで、プロジェクトはスムーズに進みました。」と張立氏は紹介した。

人体の内部環境の複雑さを考慮して、Zhang Li のチームは、「スライム」ロボットが消化管内に特定の適用スペースを備えているのではないかと想像しました。主な理由はいくつかあります。消化管が大きいほど、「スライム」ロボットは内部をよりスムーズに移動します;第二に、人間の消化管にはすでに多くの微生物叢があるため、体内でロボットを試すリスクは比較的低いです;第三に、使用されている材料ロボット「スライム」を作る 細胞毒性試験の結果、毒性は低く、体内に短期間留まり排泄される場合は理論上安全です。

もちろん、「スライム」ロボットを内部治療アクチュエーターとして使用するというアイデアはまだ構想段階にあり、さらなる検討が必要です。

2. 体内に入り込むマイクロロボットの開発

「スライム」ロボットの性能も素晴らしいですが、このような体内に入り込むマイクロロボットの開発の歴史を振り返ると、それは数十年しか続きません。

1970 年代、機密研究を促進するために、米国諜報機関は捕虜支援や電子傍受の任務を遂行できるマイクロ ロボットの設計を試みました。当時は完全に開発されておらず、マイクロロボットのプロトタイプも開発されておらず、この初期の一連の計算と概念からは何も開発されませんでした。

マイクロロボットが正式に発売されたのは 21 世紀に入ってからです。マイクロ電気機械やマイクロアクチュエータなどの学際的な分野の発展に伴い、マイクロロボットは重要な技術的進歩を遂げ、徐々に国際的な研究のホットスポットになりました。

イラスト: バイオニックマイクロロボット

半世紀以上研究されてきた大型ロボットに比べ、マイクロロボットの開発はまだ長くない「体内に入るマイクロロボット」は数えるほどしかなく、国内外でまだ黎明期にある。

マイクロロボットにはさまざまなカテゴリーがありますが、その中でもマイクロ医療ロボットは業界で最も有望な応用分野であると考えられています。科学技術政策研究所は「将来的には、医療分野におけるマイクロロボットやロボットを使った手術が医療手術全体の半数以上を占めるようになる」と予測している。

海外では、日本が率先して「ロボット外科医」計画を導入し、人間の血管の中を移動してがん細胞を見つけて殺す超小型ロボットの開発を進めている。米国メリーランド州のジョン・ホプキンス研究所は、小型シリコン体温計と小型回路を備えた小型検出装置を開発し、体内に飲み込むと体温情報を記録装置に送信できる。スウェーデンの科学者は、英語の句読点ほどの大きさのロボットを発明しました。将来的には、単一細胞を動かしたり、細菌を捕獲して人体のさまざまな手術を行うことができるようになります。

蘇州大学の孫李教授や瀋陽自動化研究所の劉蓮青教授など、国内の研究者も早くからこの最先端の方向性に注目してきました。 「生体内ロボット」の分野では、香港中文大学教授の張立氏や深セン先進技術研究所研究員の徐天天氏などの若い学者も遅れを取っておらず、世界からの新たな機会を模索している。材料と制御の 2 つの主要な方向。

一般に、ロボットの体内実現には大きく3つの要素があり、1つ目は「ミクロ」な体形の実現、2つ目は内部環境に適応する安全素材、3つ目は「体内ロボットの自動運転」の運転スキル。

「スライム」ロボットを例に挙げると、その最大の進歩は素材です。非ニュートン流体特性を持つポリビニルアルコールとホウ砂の材料にシリカ層を加えたもので、外界との接触により粘度が変化し、環境適応性が高く、気体、液体、固体の環境で使用可能です。どちらも拡張とクロールが可能で、マルチモーダル操作を実行できます。

図: 非ニュートン液体をプールに注ぎ、水に浮かべます

しかし、ホウ砂の毒性安全性はまだ保証されておらず、この分野は現在、小型医療ロボットの構築により適した材料を特定することが研究の焦点となっています。材料は、柔軟性があり、肌に優しく、無毒、無害で、体から排出されやすく、操作が簡単でなければなりません。

イノベーションと安全性に関して、張立教授の見解は次のとおりです。「科学者と医師の考えが異なることがあります。医師はより保守的で安全を第一に考えることが多いのに対し、科学者はイノベーションをより重視します。両者の間にはある種の矛盾があります。」しかし、医療現場では安全が最優先されなければならないことに疑いの余地はありません。

「外科医」になるためには、材料に加えて、体内のマイクロロボットの経路制御も早急に解決しなければならない課題です。近年、生体内マイクロロボットの研究対象は、開ループ制御から閉ループ制御へ、単一動作モードから複数動作モードへ、そして単一ロボットから複数ロボットへという3段階の変化を経験している。マイクロロボットクラスターの制御は、生体内医療シナリオにおいて実用的な応用価値があり、ロボット工学分野における主要な研究トレンドでもあります。

単一ロボットと比較して、クラスター マイクロロボットには 2 つの大きな利点があります。

まず、故障率が減少します。たとえば、薬物送達の場合、群ロボットの薬物装填量を増やすことができます。さらに、血液などの環境では、1 台の小さなロボットでは簡単に血液に流されたり、マクロファージに飲み込まれたりする可能性があります。このとき、ロボットの群れに切り替えることで治療の成功率を向上させることができます。 2番目は群れです。観察しやすいです。現在のロボットはナノメートルスケールに達することができますが、体内に配置されると、既存の医用画像装置を使用して単体のロボットを鮮明に観察することは非常に困難です。ダイビングと同じように、私たちは目の前を泳ぐ小さな魚には無視しがちですが、遠くに黒い魚の群れがいると驚かれることがよくあります。

3. 経路制御: 体内の「運転」

マイクロロボットの経路制御に関して、中国科学院深セン先進技術研究所の研究員徐天天氏は次のように述べています。 （「深セン先進技術研究所」と呼ばれます）は専門家であり、科学研究の「新星」です。

Xu Tiantian はオートメーション制御のバックグラウンドを持ち、パリ エコール サントラルとパリ第 6 大学で修士号と博士号を取得しました。 2014 年に博士号を取得して卒業した後、彼女は香港中文大学の張立教授のチームに博士研究員として加わりました。 2016 年に彼女は、深セン先進工業大学統合研究所のインテリジェント バイオニック センターに正式に加わり、現在、深セン先進工業大学で医療用マイクロロボットの経路制御を研究している唯一の科学者です。

イラスト：深セン先端技術研究所徐天天研究員

徐天天教授の観点から、生体内でのマイクロロボットの経路制御に関する研究は大きく分けて2つあります。 ：まず、マイクロロボットを体内で動かすにはどうすればよいでしょうか？ 2つ目は、どうやって決められた道に沿って動かすかです。第三に、それらを体内の複雑な環境にどのように適応させるか?

マイクロロボットを車に例えると、ロボットの体内での吊り下げ動作は、複雑で混雑した都市の空中を車が走行するように制御することに相当し、非常に困難かつ非常に安全性が高いものです。危険因子。

ミクロな世界の多くの物理法則はマクロな世界の物理法則とは異なることに注意する必要があります。たとえば、1976 年にノーベル物理学者 E.M. パーセルは、ホタテ貝が殻を素早く開き、その後ゆっくりと閉じるとき、慣性により、早く開くと前方に飛び出すことを意味する「ホタテ貝の定理」を提案しました。次々と走り出す「前進」。しかし、ミクロの世界では粘性に対して慣性力はほとんど無視できるため、帆立貝の開閉動作だけではホタテ貝を前に進めることができません。

#人間の体内環境もミクロの世界です。マイクロロボットを体内で動かすにはどうすればよいでしょうか？

Xu Tiantian 氏はチームと協力して自然からインスピレーションを得ました。1 つは大腸菌で、ねじをひねるようにらせん状の尾によって前進し、回転と前進を同時に行います。もう 1 つは柔軟です。精子 尻尾をパタパタさせて前方に振動します。この2つの方法で、らせん状のロボットと精子型のバイオニックロボットを作製し、体内の環境を模倣した環境でロボットを動かすことに成功した。

図: マイクロロボットは液体中を「らせん状に泳ぐ」ことで前進します

しかし、ロボットを液体の中で動かすだけでは十分ではありません。体。前進経路が安全で、体内で暴れ回らないことを保証する必要があります...

したがって、ロボットが体内を「正確に」往復し、危険な領域を回避し、安全を確保するために安全性の観点から、マイクロロボットの経路制御が特に重要であると研究されています。そして前述したように、ロボットは体内で「空中を前進する」ことで動作するため、ロボットには3次元の移動能力が求められます。

2019 年、Xu Tiantian のチームは、経路微分法を使用して特定の経路を小さなセグメントに微分し、各点で最も近い小さなセグメントを見つけることができる新しい経路追従制御アルゴリズムを提案しました。その前進方向。彼らのアルゴリズムは、ミリメートルスケールの磁気駆動ソフト ロボットの 3D 経路制御を実現することに成功し、関連研究が IEEE 国際会議インテリジェント ロボットおよびシステム (IROS) の最優秀論文賞を受賞しました:

経路制御に関しては、徐天天氏のチームも磁気制御を採用しています。磁気制御の主な利点は、ワイヤレスで制御できることです。ロボットが体内に入った場合、人間の研究者や医師は体外で手術を行うことができます。同時に、磁気制御は応答時間が短く、出力密度が高く、再現性が高いため、ロボットは複数回病変に正常に到達することができ、成功率のランダム性が排除されます。

注: Xu Tiantian チームの多自由度磁気制御デバイス

単一ロボットの 3D 経路制御を実現した後、Xu Tiantian と彼のチームはマルチロボット制御に目を向け、協調制御の研究が進歩した。

Xu Tiantian 氏は、AI Technology Review に対し、磁気制御に基づくマイクロロボットの操作には 2 つの大きな問題があると説明しました。まず、同じ磁場内の入力信号が同じであるため、複数のマイクロロボットの移動方向は速度と一致していますが、第二に、マイクロロボット間の通信が不足しており、マイクロロボットを独立して制御することができません。

この問題を解決するために、Xu Tiantian と彼のチームは長年研究し、今年初めについに結果を達成しました-

彼らは、通信が必要で外部統一信号を使用するロボットを認識し、同じ信号に対して異なる出力をどのように生成するかという問題を解決するために、4台の磁気ソフトマイクロロボットの独立した位置制御と3台の磁気ソフトマイクロロボットの独立した経路追従制御を実現しました。関連研究（位置制御と経路追従のための複数の磁気フレキシブルミリロボットの「独立制御戦略」）が、国際的なロボット工学のトップジャーナルである T-RO に掲載されました。

凡例: ミリ波レベルロボットの独立位置制御: (a) 2 台のロボットの位置制御、(c) 3 台のロボットの位置制御、(e) 4 台のロボットの位置制御、(e) 4 台のロボットの位置制御。 (b)、(d)、(f) はロボットの対応する位置軌道です。

この研究は、複数のマイクロロボットの協調制御における大きな前進です。しかし、徐天天氏はまた、AI Technology Reviewに対し、現時点では4台のマイクロロボットの独立制御しか達成できておらず、将来的にはより大きな目標に向かって進むだろうと語った。

人工知能アルゴリズムを経路制御に導入することもトレンドになりつつあることは注目に値します。たとえば、徐天天氏らは、複雑な環境におけるロボットの制御率を自動的に計算して最適化するために、2020年に華南理工大学コンピューターサイエンス学部長の陳君龍氏が提案した「幅学習」手法の利用を開始した。 、それによってより良い制御が達成されます。

4. 想像力と現実

それでは、マイクロロボットが体内に入るまでどれくらい時間がかかるのでしょうか?

ファインマンの予想が非常に前衛的なものであることは間違いありませんが、「内科外科医」という概念も非常に魅力的です。

少し前に、ネイチャー誌にも、がん治療におけるマイクロロボットの可能性について論じた記事が掲載されました。たとえば、抗がん剤はショットガンアプローチを採用することが多く、従来の治療法では凝固​​剤の静脈注射が必要であり、これには血栓のリスクが伴います。化学療法は腫瘍を破壊しますが、必然的に健康な細胞を攻撃し、一連の副作用を引き起こします。このジレンマに対する待望の代替案は、標的療法と薬物送達のためにマイクロロボットをがん患者に注射することです。

マイクロロボットがいつか癌治療のために体内に入ることができると想像して、Zhang Li 氏は研究に大きな熱意とモチベーションを持っています。しかし同時に、研究者らは、マイクロロボットの体内への実装にはまだ長い道のりがあることも明確に認識している。たとえば、これまでのところ、国内外でマイクロロボットを実際に体内に実装した研究者はいない。 Leifeng.com

安全、倫理、コストパフォーマンス、リスク管理などはすべて、将来人々が解決しなければならない課題です。

科学者たちは、体内ロボットの研究と実装を促進するために熱心に取り組んでいます。 Zhang Li 氏は AI Technology Review に対し、香港政府は近年 4 億 7,000 万香港ドルを投資して、香港サイエンス パークに医療ロボット イノベーション技術センター (下の写真) を建設したと語った。共鳴技術やX線技術などを活用し、科学者による医療ロボットのイノベーションと技術育成を支援します。

写真提供：Zhang Li教授

「科学研究の観点から見ると、『スライム』ロボットは革新的な画期的なものではないと思います」張立氏は、「私たちがさらに達成したいのは、マイクロロボットに知性を与え、マイクロロボットクラスターと制御システムにブレークスルーを起こし、デバイスをより安全、より小型、よりインテリジェントにし、そして最終的な目標を見つけることです」と述べた。医療用途の輸出は人類に利益をもたらすことです。」

おそらく、1950 年代にファインマンによって提案された「内科外科医」のアイデアは、近い将来実現されるでしょう。将来的には、あらゆる分野に応用できるようになります。眼底、網膜、消化管、膀胱、血管などの人体の一部。

もうすぐこの日が来るのを楽しみにしましょう。

参考リンク:

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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